新疆天山1北坡日照時數變化特征一以瑪納斯-石河子-沙灣

線為例禹樸家;徐海量;張青青;侯亮;安紅燕;龔君君【摘要】運用線性趨勢估計、距平與累積距平、滑動t檢驗、小波分析、灰色預測等方法，對天山北坡中部日照時數的變化趨勢、周期特征、突變特征及未來趨勢進行了分析.結果表明:1.近47年來，天山北坡一線日照時數呈減少的趨勢，其變化傾向率為21.6h/(10a),相關系數為0.26.累積距平曲線的變化趨勢顯示，年日照時數以1986年為轉折點，前期偏多，后期偏少.2.年日照時數在1986年發生了由多到少的突變，其突變類型比較復雜，是均值突變和轉折突變兩種突變類型的組合.3.日照時數在近47a的時間序列中存在8a和19a的周期.在8a的時間尺度上，年日數序列經歷了7個偏多期和6個偏少期;在19a的時間尺度上，經歷了2個偏少期和2個偏多期.4.利用建立的灰色預測GM(1,1)模型對天山北坡的日照時數進行了預測,發現模型的可靠性高，預測結果準確,年日照時數在2010年達到2970.8h,為近10年來的最高值.％Thetrend,periodsandabruptchangeofannualsunshinehourwereanalyzedinthenorthernzoneofTianshanMountainswithmethodsoflineanalyze,annualanomalies,abruptttest,waveletanalyzeandgreyforecasting.Theresultsindicatethat:theannualsunshinehourtrendisdecreasedinthenorthernzoneofTianshanMountainsduring47years.Theaveragetrendis21.6h/(10years)andthecorrelationcoefficientis0.26,whichpassedthesignificancetestat0.10level.Thetrendofannualanomaliesshowthattheannualsunshinehourchangesin1986,whicharethehighfrequencyperiodbefore1986andlatentperiodafter1986.Theannualsunshinehourchangesformmanytofew.Thechangetypeiscomplex,whichincludethemeanchangeandthetransitionchange.Thereisanobviousperiodicof8and19yearsfortheannualsunshinehourseriesduring47yearsinthenorthernzoneofTianshanMountains.Atthescaleof8years,thereare7highfrequencyperiodsand6latentperiodsfortheannualsunshinehourseries;Atthescaleof19years,thereare2highfrequencyperiodsand2latentperiodsfortheannualsunshinehourseries;Thepredictedamountofsunshinehoursfromtheestablishedgreydynamicmodelindicatesthatthedependabilityoftheestablishedgreydynamicmodelisveryhighandthepredictresultisnicety.Theannualsunshinehourisreachthe2970.8hoursin2010,whichistopduringtherecent10years.【期刊名稱】《山地學報》【年(卷)，期】2011(029)001【總頁數】7頁(P43-49)【關鍵詞】日照時數;變化趨勢;小波分析;灰色預測;天山北坡【作者】禹樸家;徐海量漲青青;侯亮;安紅燕;龔君君【作者單位】中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊830011;中國科學院研究生院，北京100049;中國科學院新疆生態與地理研究所,新疆烏魯木齊830011;中國科學院新疆生態與地理研究所,新疆烏魯木齊830011;中國科學院研究生院,北京100049;烏魯木齊市林業局,新疆烏魯木齊8300543;中國科學院新疆生態與地理研究所,新疆烏魯木齊830011;中國科學院研究生院，北京100049;新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆烏魯木齊830054【正文語種】中文【中圖分類】P412.14近半個世紀以來，全球性氣候變化引起廣泛的關注滸多學者利用多種方法從不同的時空尺度，對氣候要素的變化趨勢及影響因素做了大量的相關研究［1-4］。日照時數是表示一個地區接受太陽輻射的時間數，是太陽輻射最直接的表現之一［5］,也是地球上一切自然現象的主要能源,對各地天氣和氣候的變化具有重要的作用，受云、霧、沙塵等多種因素的影響較大。研究日照時數的分布規律及變化趨勢,對于農業生產的發展、城市建設及人們的日常生活具有重要的意義［6］。因此,很多學者對其變化趨勢［6］、區域分布［7］以及影響因素［8］進行過研究。徐宗學等利用非參數統計檢驗方法對黃河流域77個氣象站近45a的日照時數變化趨勢進行分析［7］;劉衛平等利用阿克蘇地區8個氣象站近45a的逐月日照時數資料，對年日照時數的變化趨勢特征進行了分析［9］;王華等運用氣候突變理論對新疆阿克蘇市日照時數序列進行檢測,結果發現近50a阿克蘇地區日照時數總體呈增加趨勢，在1980年代初和1990年代初存在兩次突變［10］。胡汝驥認為與全球和全國氣候變化趨勢一致,新疆氣候存在著變暖增濕的趨勢，隨著氣候的暖濕化過程，新疆各地區日照時數也隨之發生了變化［11］。因此，新疆各地日照時數變化趨勢的研究具有重要的意義。天山北坡中部的瑪納斯-石河子-沙灣一線是一個以農為主的地區，現已成為新疆北部最重要的農業綠洲之一。隨著新疆氣候的日益暖濕［11］,人們對天山北坡綠洲的關注越來越多。本文利用天山北坡一線3個氣象站1961—2007年的逐月日照時數資料，在運用線性趨勢估計、距平與累積距平、滑動t檢驗、小波分析等方法，對天山北坡中部日照時數的變化趨勢、周期特征、突變特征進行分析的基礎上，利用以往資料建立灰色預測模型,對未來幾年的日照時數進行了預測，以期能對當地居民的生產生活有所幫助，并對進一步研究該區氣候變化提供依據和借鑒?，敿{斯-石河子-沙灣一線位于天山北坡中部,是全國主要優質棉生產基地，是天山北坡經濟帶的重點，也是國家重點經濟建設的開發區［12］；地貌類型屬于河流形成的沖擊扇或淤積平原,地形南高北低，海拔400~1200m,屬于瑪納斯河流域綠洲的一部分。所轄的區域除瑪納斯、沙灣、石河子3個縣（市）外，還包括兵團農八師的152團、143團等。由于深居內陸，地形相對復雜,大氣環流較難進入。區域內年均氣溫為4.7~5.71,年均降水量為100-200mm,潛在蒸發量為1500-2100mm,屬典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候。區內光熱資源十分豐富，有效性高,年日照時數可達到2750h,無霜期達160d,有利于作物的生長。.研究資料及統計分析方法研究資料來源于天山北坡一線3個氣象站點（瑪納斯、石河子、沙灣）的氣象觀測資料，考慮到資料的完整性和可比性,本文選取1961—2007年的逐月日照時數來分析其變化。對資料的統計分析采用的方法主要為：1.用線性傾向估計法分析日照時數的變化趨勢,線性方程的斜率b<0,則為下降趨勢,b>0,則為上升趨勢,bx10為其變化傾向率。以距平曲線的波動來反映沙塵暴的變化幅度,累積距平曲線的上升段和下降段反映了要素隨時間變化的增加和降低。2.用滑動t檢驗來確定日照時數序列的突變年份,t值超過顯著水平線的年份即為突變年份。3.用小波分析法來識別沙塵暴序列的周期性變化，小波方差出現極值的時間尺度即為序列的周期尺度。.模型的建立及診斷利用1961—2007年的日照時數資料,建立灰色預測GM（1,1）模型，對研究區的日照數變化進行預測。設原始時間數據序列為.日照時數的趨勢分析由圖1日照時數的變化曲線可知，瑪納斯-石河子-沙灣一線年日照時數呈現波動變化，主要為高低值交替出現。整個時間序列來看，大致可以分為兩個階段：前期,年日照時數變化不明顯且處于日照時數偏多期，平均為2829h/a;后期呈顯著上升趨勢，但年日照時數處于偏少期，為2733h/a。1961—2007年天山北坡年日照日數的線性傾向估計分析表明(表1),各個時段年日照時數的變化趨勢有所不同。從總體趨勢來看沃山北坡一線日照時數呈減少的趨勢，其變化傾向率為21.6h/(10a),相關系數為0.26,通過了a=0.10的顯著性檢驗，說明減少趨勢較顯著。從不同的時間段來看,1961—1986年間,年日照時數有輕微下降的趨勢,其日照時數傾向率為7.15h/(10a),變化趨勢不明顯;1987—2007年間,日照時數上升趨勢顯著，通過了a=0.01的顯著性檢驗，且上升幅度比較大，其變化傾向率為110h/(10a)。累積距平曲線可以反映氣候要素的長期變化趨勢。歷年日照時數累積距平曲線的變化顯示(圖2),近47a的基本特征是，前期年日照時數偏多,后期年日照時數偏少,1986年為變化的轉折點。1986年以前，年日照時數處于較高水平，持續時間較長,變化幅度較小，正距平年為18a,占到前期年數的近70%;其中,1967年的距平值為224.1,年日照時數為3010.1h,為近47a的最高值。1987年為近47年來的最低值,年日照時數只有2460.1h,其距平值為-325.9;1987年以后，年日照時數不斷增加，但負距平年仍占主導地位,21a中有62%的年份低于47a的平均水平。雖然1987年以后，年日照時數不斷增加，但其變化仍然可以分為兩個階段：1987—1994年間,年日照時數累積距平線變化劇烈,9a間累積距平值從1987年的1109.4急劇下降到1994年的-75.8;而1995年以后，累積距平值變化比較平穩。.日照時數的突變分析氣候突變是普遍存在于氣候變化中的一個重要現象，是指氣候要素從一種分布狀態轉到另一種分布狀態突然而持久的變動［13］。由前面的分析可知,近47年來，天山北坡年日照時數的變化大致可以分為2個階段。這種變化趨勢是否導致了年日照時數的突變，這種突變是否真的存在，是否可以達到顯著水平，需要做進一步的分析。檢驗突變的方法有很多種,主要為線性趨勢法、Cramer法、Mann-Kendall法，滑動t檢驗等。其中，滑動t檢驗法能夠簡單直觀的確定趨勢的突變點。因此，本文運用滑動t檢驗法對天山北坡的年日照時數進行突變檢驗。圖3給出了滑動t檢驗法的檢驗結果，由曲線的變化趨勢來看沃山北坡年日照時數有減少的趨勢渭動t檢驗的T值在整個時間序列上經歷了〃負-正-負”的轉變,1961—1974年間，年日照時數幾乎全部處于負趨勢,1975—1987年變為正趨勢,1988年后又轉變為負趨勢;其中,T值分別在1972年和1986年取得最小值和最大值，但只有1986年的T值超過了顯著水平線，達到了突變的水平,說明年日照時數在1986年發生了由多到少的突變?；瑒觮檢驗得出的突變年份與累積距平線得到的變化年份一致,表明研究區內年日照時數的變化趨勢確實存在1986年的突變年份。天山北坡日照時數序列在1986年發生了突變，這種突變屬于哪種類型的突變?是均值突變、蹺蹺板突變還是轉折突變?還需要對突變類型進行檢驗。為弄清日照時數突變的類型，以1986年為分界點對年日照時數進行了階段趨勢檢驗。兩個時段均值檢驗的sig.=0.003v0.01,說明1961—1986年間和1987—2007年間的日照時數均值存在極顯著的差異，年日照時數在1986年發生了均值突變。圖1中日照時數的變化趨勢明顯的分為2個階段,1986年前，年日照時數變化比較平穩,變化幅度不大，而1986年后，年日照時數逐漸上升，說明天山北坡日照時數以1986年為分界點，發生了轉折突變。總的看來,1986年天山北坡年日照時數的突變類型比較復雜,同時發生了均值突變和轉折突變兩種類型。.日照時數的周期分析年日照時數的變化與氣候變化有關,而氣候變化遵循一定的周期性規律[14],從而使得年日照時數的變化也表現為一定的周期性。小波分析具有多分辨率分析的特點，可以得到每一時刻在各周期中所處的位置，能夠更好地分析序列隨時間的變化情況，借助小波變換的時頻局部化優勢可以準確地找到時間序列的大小時間尺度（周期）和突變點所在的位置,從而為氣候系統分析、預測提供重要依據［15］。由圖4,天山北坡近47a日照時數變化的小波分析表明,年日照時數的變化是由不同長度周期震蕩的疊加而形成的,其變化趨勢中存在較長周期，長周期中包含短周期。年日照時數小波系數等值線在8a和19a左右的時間尺度附近分布比較密集，存在明顯的小波系數高低值中心震蕩，并且小波系數的方差值在8a和19a的時間尺度上分別達到極值，故最終確定天山北坡日照時數在近47a的時間序列中存在8a的年際和19a的年代際周期。其中,8a的周期分布并不穩定，在20世紀60年代和80年代中期以后比較顯著，在1970-1980年代中期,5a的周期比較顯著;而19a的周期在整個時間序列上都比較顯著。在10a以下的時間尺度上,日照時數的波動比較大，經歷了10個偏少期和11個偏多期;在10-20a的時間尺度上舊照時數經歷了〃偏少-偏多-偏少-偏多”的交替變化，每一時期持續的時間大都在10a左右;在20a以上的時間尺度上舊照時數發生了由多到少的轉變。由以上分析可知沃山北坡日照時數變化的主要周期為8a和19a。圖5給出了天山北坡年日照時數的主周期小波系數曲線變化圖從圖中可以看出，在8a的時間尺度上,1961—1970年和1985—2007年間,曲線的波動比較明顯年日數序列經歷了7個日照時數的偏多期和6個偏少期。在19a的時間尺度上，年日照時數序列經歷了1961—1964年、1982—1999年2個偏少期和1965—1981年、2000—2007年2個偏多期，發生變化的年份是1964年、1981年、1999年。綜合圖4和圖5,可以看出沃山北坡日照時數序列在8a和19a的時間尺度上，小波系數等值線或小波系數曲線都沒有閉合，且都處于高值區,日照時數正處于局部的偏多期。由此可以推斷,不論是從年際尺度還是年代際尺度上來看，天山北坡一線未來幾年日照時數的偏多期仍將持續下去。.日照時數的灰色預測1.構建GM(1,1)模型以2001—2007年日照時數的歷史數據為樣本,建立天山北坡日照時數的GM(1,1)模型X(0)=[2868.4,2695.5,2759.3,2750.7,2818.8,2847.8,2808.3]X(1)=[286845563.9,8323211073.9,13892.8,16740.5,19548.8]由式⑷解得a=0.126,u=12.86則預測模型為令t=1,2......,6,解得年日照時數的模型值，再由(7)式還原得出模型的預測值，見表2。表2中列出了天山北坡日照時數的實際值、模型預測值、誤差及相對誤差。從表中可以看出，模型擬合值和實際觀測值之間極其接近，其誤差和相對誤差的絕對值全部分布在0.53~7.57和0.097%~0.26%間，說明模型的擬合效果較好，模型符合預測要求。日照時數的診斷及預報雖然模型預測的結果與實際結果之間的擬合效果很好，但其可靠性仍不能確定，因此必須對模型的可靠性做進一步的診斷。根據式(8)和式⑼對模型的可靠性進行診斷。結果表明，利用2001—2007年日照時數構建的模型的后驗差比值為c=0.0761<0.35,小誤差概率p=1.0>0.95,達到鄧聚龍[16]所確定的最高精度檔“GOOD”級，其可靠性比較高,可以用來進行年日照時數的預測。利用建立的模型和公式(7),可以得到未來3a的年日照時數為：當t=7,X人(0)(8)=2882.01廊2008年的年日照時數為2882.01h。當t=8,X人(0)(9)=2923.6,即2009年的年日照時數為2923.6h。當t=9,X人(0)(10)=2970.8,即2010年的年日照時數為2970.8h。日照時數表示一個地區接受太陽光照射時間的長短，是重要的氣候資源，也是影響各種植物分布的原因之一[7]。日照時數變化特征的分析，對當地農業生產的發展具有重要的意義。本文首先利用線性趨勢估計、距平與累積距平、滑動t檢驗、小波分析等方法，對天山北坡中部日照時數的趨勢變化、周期、突變特征進行了分析,然后利用灰色預測模型對未來幾年的日照時數進行了分析，得出以下結論：1.1961—2007年間，天山北坡一線日照時數呈減少的趨勢，其變化傾向率為21.6h/(10a)。歷年日照時數累積距平曲線的變化顯示，前期年日照時數偏多，后期年日照時數偏少，變化的轉折點在1986年。運用滑動t檢驗法對天山北坡中部近47年來的年日照時數進行突變分析，發現年日照時數在1986年發生了由多到少的突變。均值檢驗和趨勢檢驗的結果表明,1986年的突變類型并不是簡單的均值突變或轉折突變，而是這兩種突變的組合。日照時數變化的小波分析表明，天山北坡日照時數在近47a的時間序列中存在8a的年際和19a的年代際周期，在8a的時間尺度上，年日數序列經歷了7個偏多期和6個偏少期;在19a的時間尺度上，經歷了2個偏少期和2個偏多期。4利用2001—2007年日照時數的資料，建立了灰色GM(1,1)模型,并對天山北坡未來幾年的日照時數進行了預測。建立模型的診斷結果表明，模型的可靠性高，預測結果能夠反映實際狀況,其相對誤差的絕對值在0.097%~0.26%間,其后驗差比值和小誤差概率值均達到了最高精度檔“GOOD”級。模型對天山北坡中部日照時數的預測結果表明,未來3a的日照時數將出現增加的趨勢,2010年的年日照時數可以達到2970.8h,達到近10a的最高值，這對當地農業生產將是有利的。【相關文獻】JiangDabang,SuMingfeng,WeiRongqing,etal.VariationandprojectionofdroughtandwetconditionsinXinjiang[J].ChineseJournalofAtmosphericSciences,33(1):90-98[姜大膀,蘇明峰，魏榮慶.新疆氣候的干濕變化及其趨勢預估[J].大氣科學,2009,33(1):90-98]LiuYang,ZhangYiping,LiuYuhong,etal.Oinmtechangefrom1980to2005intheAilaoMountains,SouthwestChina[J].JournalofMountainScience,2009,27(2):203-210][劉洋，張一平,劉玉洪，等.哀牢山北段地區氣候特征及變化趨勢[J].山地學報,2009,27(2):203-210]ShiYafeng,ShenYongping,HuRuji.Preliminarystudyonsignal,impactandforegroundofclimaticshiftfromwarm-drytowarm-humidinNorthwestChina[J].JournalofGlaciologyandGeocryology,2002,24(3):219-226[施雅風，沈永平湖汝驥.西北氣候由暖干向暖濕轉型的信號、影響和前進初步探討[J].冰川凍上,2002,24(3):219-226]ShiZhiwenl,XuJunron,ChenZhongshen,etal.Analysisonclimaticchangesunderglobalclimaticchange:AcasestudyofTianshanSnowandAvalancheResearchStation[J].JournalofMountainScience,2009,27(1):41-48[史志文,徐俊榮，陳忠升，等.天山西部寒區山地生態系統近40年來氣候變化特征：以中國科學院天山積雪雪崩研究站為例[J].山地學報,2009,27(1):41-48]HuangXiangrong,GeHongwei.Analysisofclimatechangecharacteristicsofsunshinedurationinhefeicityinrecent55years[J].JournalofAgriculturealSciences,2008,36(20):8723-8725[黃向榮，葛紅衛.合肥市近55年日照時數氣候變化特征分析[J].安徽農業科學2008,36(20):8723-8725]LiYueqing.AnalysesofCloudiness,Sunshine,temperatureanddailyrangeontheeasternsideofQinghai—Xizangplateauinrecent40years[J].PlateauMeteorology,2002,21(3):327-332[李躍清.近40年青藏高原東側地區云、日照、溫度及日較差的分析[J].高原氣象,2002,21(3):327-332]XuZongxue,ZhaoFangfang.VariationofsunlightradiationdurationintheYellowRiverBasin[J].ResourcesSciences,2005,27(5):153-159[徐宗學，趙芳芳.黃河流域日照時數變化趨勢分析[J].資源科學,2005,27(5):153-159]DuJun,BianDuo,HuJun,etal.ClimaticchangeofsunshinedurationanditsinfluencingfactorsoverTibetduringthelast35years[J].ActaGeogaphicaSinica,2007,62(5):492-500[杜軍，邊多湖軍，等.西藏近35年日照時數的變化特征及影響因素[J].地理學報,2007,62(5):492-500]LiuWeiping,WeiWenshou,TangXiangling.Variationofsunshinehourinrecent45yearsinAksuPrefecture[J].JournalofAridLand,2008(3):197-202[劉衛平，魏文壽,唐湘玲.阿克蘇地區近45年日照時數變化特征[J].干旱區地理,2008(3):197-202]WangHhua,NiuQingming.DetectionandanalysisofthesunshinedurationcatastrophesinAkesucity[J].BimontheyofXinjiangMeteorology,2002,25(3):14-15[王華，牛清明.阿克蘇市日照時數的突變檢測分析[J].新疆氣象,2002,25(3):14-l5]HuRuji,FanZili,W