引言

目前, 气候变化是全球变化研究的核心问题和重要内容。科学研究表明, 近百年来, 地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。现有的预测表明, 未来全球的气候将继续向变暖的方向发展。全球公众对气候变化的关注与日俱增, 气候变化问题不仅是科学问题、环境问题, 而且是能源问题、经济问题^[1]。气候变化会引起大气物理结构和化学结构发生变化, 进而影响到太阳辐射能量的变化, 探讨气候变化对太阳辐射的影响有重要意义。

日照百分率是实际日照时间与天文可照时间(不考虑大气影响和地形遮蔽的最大可能日照时间)之比, 可照时间的多少, 直接影响到地表可获得太阳辐射能量的多少, 进而影响到其它气象要素和地表通量的空间分布。1919年Kimball提出日照百分率与总辐射之间可能存在很好的关系^[2], 1922年Ångström提出用日照百分率计算总辐射的公式^[3]。因此, 日照百分率成为研究太阳辐射能量的重要因子之一, 它是准确计算太阳辐射的重要参考指标。

1 资料及研究区概况

黄河位于32~42°N、96~119°E之间, 是我国第二条大河, 发源于青藏高原, 全长5464km。流域集水面积大, 跨度长, 地理环境复杂。流域面积为7.93×10⁵km², 其中, 干旱区占11.7%;半干旱区占28.2%;半湿润区占54.8%;湿润区占5.3%。日照时数的分布是由东南向西北增加, 一般而言, 夏半年多于冬半年, 纬度越高, 夏季日照时数越长, 冬季日照时数越短^[4]。

本文所用资料为1960—2000年黄河流域及其周边146个气象站(图 1)逐月日照百分率。

2 研究方法

参考文献[5], 引入气候趋势系数和气候倾向率来研究黄河流域日照百分率的气候变化特征。

2.1 气候趋势系数

气候趋势系数：

式中, r_xt为n个时刻(年)的要素序列与自然数列1, 2, 3, …, n的相关系数。其中n为年数, x_i为第i年要素值, x为其样本均值; t=(n+1)/2。r_xt为正(负)时表示该要素在所计算的n年内有线性增(降)的趋势。

2.2 气候倾向率

将气象要素的趋势变化用一次线性方程表示, 即

式中, 为气象要素的拟合值; a₁·10称为气候倾向率, 表示气象要素每10年的变化率。

对146个站分别按年和四季计算其日照百分率的气候趋势系数和气候倾向率, 季节划分是以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季。

3 结果分析 3.1 黄河流域日照百分率气候变化趋势

图 2给出了黄河流域年日照百分率逐年变化和逐年累积距平变化。图 2a中直线为日照百分率与时间序列(年)拟合的趋势线, 显著性水平达0.01, 可以看出黄河流域日照百分率呈明显下降趋势。由逐年累积距平的变化曲线图 2b可看出, 1960—1981年黄河流域日照百分率基本上均高于40年平均水平, 1981年之后基本上均低于40年平均水平。

表 1给出各年代日照百分率的季节统计值。由表 1可以看出, 就整个流域平均而言：近40年来黄河流域日照百分率呈明显下降趋势, 20世纪90年代年平均日照百分率较60年代下降了2.49%;四季中, 日照百分率夏季和冬季下降趋势较明显, 且以冬季下降幅度最大, 90年代较60年代下降了4.90%。日照百分率的下降必然导致太阳总辐射的下降, 因此, 近年来黄河流域的太阳总辐射也是下降的。这一规律与全球太阳总辐射下降的结论完全一致。Stanhill和Cohen认为云量和气溶胶的增加是近年来全球太阳总辐射下降的主要原因^[6]。

图 3给出了1960—2000年黄河流域不同季节日照百分率变化曲线。其中, 夏季和冬季日照百分率变化趋势的相关系数显著性水平达0.01, 即日照百分率呈明显下降趋势; 春季和秋季日照百分率趋势拟合显著水平较低, 即日照百分率无显著变化。

3.2 黄河流域日照百分率气候变化趋势的空间分析

图 4利用ArcGIS生成黄河流域年平均日照百分率气候变化趋势空间分布图。从年平均日照百分率气候倾向率空间分布可以看出, 气候倾向率上升最大为1.77%/10a, 下降最小为5.56%/10a, 后者为前者的3倍以上, 可见下降要比上升幅度大得多, 除极少数台站的日照百分率呈略有上升趋势外(主要出现在流域上游), 黄河流域日照百分率的下降表现得非常明显, 遍布整个流域的中、下游。

表 2为黄河流域及其周边146个气象站点日照百分率变化趋势统计。夏季和冬季日照百分率下降站点数分别各占总站点数的42.5%, 均超过全年的百分比41.8%。春季和秋季日照百分率变化站点较少, 分别占总站点数的19.9%和17.8%。

图 5为黄河流域不同季节日照百分率气候倾向率空间分布图, 其符号含义与图 4相同。由图 5可看出, 不同季节日照百分率变化趋势的空间分布基本与图 4相似, 只是日照百分率上升、下降幅度和地区范围略有不同。夏季和冬季日照百分率主要表现为下降的气候趋势, 且下降的幅度较大, 最高达-7.85%/10a (出现在冬季), 日照百分率上升的区域较小; 各季节日照百分率下降的幅度均比上升的幅度要高; 尽管日照百分率上升区域的范围在秋季相对大一些, 但其上升幅度并不高, 最高也仅为2.45%/10a。

4 结论

(1) 日照百分率的下降表征了太阳总辐射的下降, 而Stanhill和Cohen认为云量和气溶胶的增加是近年来全球太阳辐射下降的主要原因^[6]。太阳辐射驾驭着全球的气候变化, 它与日照百分率变化, 存在着正相关关系。

(2) 就整个黄河流域平均而言, 日照百分率呈明显下降趋势, 年平均日照百分率在20世纪90年代较60年代下降了2.49%。

(3) 日照百分率气候变化的时间分析表明, 下降主要表现在夏季和冬季, 春季和秋季下降不明显。

(4) 日照百分率气候变化的空间分析表明, 除极少数台站的日照百分率呈略有上升趋势外(主要出现在流域上游), 黄河流域日照百分率下降表现得非常明显, 遍布整个流域的中、下游。