乌昌地区日照时数变化特征及其对设施农业的影响

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摘要 选取1981—2010年30年的乌昌地区15个气象站的日照时数资料，利用气候倾向率法和Mann-Kendall突变检验法分析了日照时数的变化特征。结果表明：仅高山带在30年间日照时数呈增加趋势，气候倾向率为31.1 h/10 a，中、低山带和平原区均呈下降趋势，气候倾向率分别为-59.3、-27.4、-74.1 h/10 a。四季中冬季的日照时数减少最为显著，平均值达到-24.4 h/10 a，秋、夏、春3季日照时数的变化趋势依次减弱。突变检验分析得：仅低山带1987年日照时数发生了突变减少，其他区日照时数均未发生突变。冬、春季是是设施农业生产最需要光照的时间，也是乌昌地区日照时数减少最为明显的时期，因此乌昌地区近30年日照时数的变化对设施农业生产的不利影响较为明显。

关键词 日照时数；变化特征；设施农业；乌昌地区

中图分类号 P467 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）18-0207-03

气候变化一直是人们关注的热点问题，许多学者已从不同的时间尺度和空间尺度分析了降水和气温的变化规律及其对人类造成的影响[1]。日照时数是表征太阳辐射强弱的气象要素之一，也是表征气候变化的主要气象要素。日照时间的长短直接影响着大气热力状况、生物生长、农牧业生产，并对人类的日常生活有着直接的影响。随着全球气候变暖、城市化的快速发展和人口越来越密集，各地区的日照时数也呈显著性变化的趋势[2]。胡汝骥等认为在全球变暖背景下，新疆存在着变暖增湿的趋势，光热资源变幅增大[3]。

乌鲁木齐和昌吉地区地处天山北坡，准噶尔盆地南部，是新疆自治区首府所在地，同时也是新疆人口最为密集、设施农业相对集中的地区，地缘和区位优势明显[4]。此外，由于乌昌地区地域辽阔且地形地貌和下垫面状况复杂多样，各地气候差异十分明显，因此关注乌昌地区日照时数变化的总体特征及其变化趋势，有利于科学合理地利用气候资源，为乌昌地区的农业尤其是设施农业生产提供科学依据。辐射与日照时数都是表征太阳辐射强度的要素，近些年许多学者对各地区辐射的变化特征研究较多。王 健等[5]研究认为，1986年前乌鲁木齐市散射辐射缓增，之后缓降，近30年散射辐射平均每年减少3.9 MJ/m2，张月华等[6]研究了乌鲁木齐市晴天太阳辐射变化特征，认为乌鲁木齐市的太阳总辐射减少量冬季多夏季少，采暖期减少量约占全年的80%。截至目前，对乌昌地区日照时数变化的研究较少，该文利用1981—2010年30年间乌昌地区15个气象站的日照时数资料来分析其时空变化特征，并结合日照时数的变化趋势分析了其对设施农业生产的影响，并提出一些初步的应对措施，以期对该地区的实际生产提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 站点的选取和资料的处理方法

根据乌昌地区气象站的分布，将海拔高于3 500 m称为高山，海拔1 200～3 500 m的称为中山，海拔700～1 200 m的称为低山，小于700 m的称为平原。各气象站海拔高度见表1。可以看出，高山带有大西沟站；中山带有白杨沟、天池、木垒、北塔山4个站，低山带有达坂城、乌鲁木齐、奇台、吉木萨尔4个站，平原区有米泉、昌吉、阜康、玛纳斯、呼图壁、蔡家湖6个站。

该文选取以上15个气象站1980—2010年逐月日照时数资料进行变化趋势、特征的计算和分析。以上站点均有完整的日照时数资料。季节按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至翌年2月）划分，研究区气象站点分布见图1。

1.2 研究方法

利用1981—2010年乌昌地区15个气象站的日照时数观测资料进行统计，建立乌昌地区各站月、年日照时数序列，以时间为自变量，日照时数为因变量，建立一元回归方程，利用最小二乘法计算出b1。将b1×10称为气候变化倾向率，b1绝对值的大小可以度量其演变趋势上升、下降的程度，b10表示呈上升的趋势。文中30年平均值是指1981—2010年的平均值。

利用Mann-Kendall法进行气候突变检测，首先定义一个统计量，并给定显著性水平，按时间顺序计算出UF的统计量序列，逆时间序列计算 UB的统计量。若UF>0，表明序列呈上升趋势，UF

S/N突变点检验：为检验气候要素突变分析转折是否达到气候突变的标准，对各转折年份计算信噪比，公式如下：

式中：xa，xb，Sa，Sb分别为转折年份前后2段要素的平均值和标准差，规定S/N>1时，则可以认为这个年份存在要素的突变，否则不存在突变。

2 日照时数的变化特征

2.1 日照时数的年际变化

乌昌地区4类不同地形中1981—2010年间平均日照时数最多的是低山带，为2 839.4 h，最少的是高山带，为2 428.5 h，中山带和平原区介于中间，分别为2 782.6 h和2 783.1 h。由图2可知，乌昌地区4种不同地形中仅高山带在30年间日照时数呈增加趋势，气候倾向率为31.1 h/10 a，中山带、低山带和平原区均呈下降趋势，气候倾向率分别为-59.3、-27.4、-74.1 h/10 a。但高山带日照时数增加倾向率的相关系数未通过显著性水平的检验。在3个日照时数呈下降趋势的地形中，中山带和平原区的相关系数通过了0.01显著性水平的检验，低山带未通过显著性检验。1981—2010年30年间高山带日照时数呈不显著的增加趋势，低山带呈不显著减少趋势，平原区和中山带呈显著的减少趋势。由此可见，近30年间乌昌地区只有受人为干扰最少的高山带日照时数呈显著增加的趋势，而受城市化和旅游影响较为明显的中、低山带和平原区的日照时数均呈减少趋势。根据该文不同地形所包括的气象站，以上变化趋势与李景林得出的乌鲁木齐、昌吉、米泉的年日照时数随着年代的推移均呈明显的减少趋势[10]基本一致。

2.2 日照时数季节变化特征

由表2可知，四季中冬季的日照时数减少最为明显，4种不同地形的平均气候倾向率达到-24.4 h/10 a，春季的变化最不显著，仅为0.2 h/10 a。不同地形中，高山带夏季的日照时数呈显著增加趋势（相关系数通过0.05显著性水平检验），变化倾向率为24.9 h/10 a，春、秋季日照时数呈不显著增加趋势，变化倾向率分别为5.3 h/10 a和2.5 h/10 a，冬季日照时数呈不显著减少趋势，变化倾向率为-1.6 h/10 a。从气候倾向率的数值可看出，高山带30年间日照时数的增加主要是由于夏季日照时数增加较明显。中山带4个季节的日照时数均呈减少趋势，其中冬季的减少趋势最为明显，为-17.9 h/10 a，且相关系数达到极显著水平，其次是夏季，变化倾向率为-16.6 h/10 a，达到0.05的显著性水平的检验，春季和秋季的减少趋势未通过显著性检验。低山带春季日照时数呈不显著增加趋势，夏季、秋季和冬季均呈减少趋势，但只有冬季的变化趋势通过显著性检验，也就是说低山带冬季的日照时数呈显著性减少，其余3个季节的变化趋势不显著。平原区日照时数的变化趋势与中山带相似，4个季节均呈减少趋势，但只有冬季气候倾向率通过了0.01显著性水平的检验。通过以上分析可得，乌昌地区除高山带外，其他地形的冬季日照时数都呈极显著减少趋势，其他3个季节的变化趋势不是十分显著。且在低山带和平原区的各季节中日照时数减少最明显的季节是污染排放量大、逆温层厚而强的冬季，这不得不提醒人类冬季应采取更为清洁的能源来供暖，以防进一步的大气污染而引起的气候变化。据了解，乌昌地区设施农业生产的区域基本在低山带和平原区，生产的季节主要在冬、春季，而此时正是日照时数显著减少的时期，因此乌昌地区日照时数的变化对设施农业生产的不利影响较为明显。

2.3 年日照时数的突变检验

气候突变是指气候要素从一种分布状态转到另一种分布状态突然而持久的变动[11]。该文采用非参数统计检验方法（Mann-Kendall），对乌昌地区不同分区的年日照时数进行突变检验。

利用Mann-Kendall突变检验法来分析其突变点，显著性水平0.05（Uα=±1.96），得到图3。由图3可知，高山带日照时数1980年至2000年代初UF呈波动式上升，2000年代初至2010年UF上升趋势减弱，并在1982年与UB出现交点，由于交点出现在1982年，无法计算性噪比S/N，故不认为1982年是突变点；中山带UF呈波动下降，与UB相交于1992年，交点位于-1.96～1.96，计算信噪比S/N

算信噪比S/N>0，此交点是突变点，即1987年乌昌地区低山带日照时数发生了突变减少，且一直持续至2010年。平原区UF呈波动下降，与UB相交于1987年，交点位于-1.96～1.96，计算信噪比S/N

综上所述，乌昌地区4种不同的地形，仅低山带1987年日照时数发生了突变减少。其他无论是高山带的日照时数增加还是中山带和平原区日照时数的减少均未发生突变。

3 日照时数的减少对设施农业的影响

乌昌地区设施农业生产的季节主要是冬、春季，主要种植蔬菜（芹菜、有白菜、黄瓜、茄子、辣椒等），还有部分种植花卉。夏季和秋季乌昌地区气温较高，光照充足，尤其是5—8月是昼长最长的时段，此时日照时数的减少对作物的影响并不明显。相反冬、春季是昼长较短的时期，也是设施农业生产最需要光照的时间，影响过程主要在作物生长初期、结果和果实膨大阶段。而此时正是乌昌地区日照时数减少最为明显的时期，因此对设施农业生产影响较大，此时如遇寒潮低温天气，将造成种子发芽延迟，埋土时间长，造成死苗现象多，根系欠发达，抗病虫害能力下降，对于光周期敏感的植物甚至出现不结果实；长果时期日照时数减少，光合作用下降，使得果实品质变差、甜度降低等，以致造成减产。乌昌地区日照时数减少对设施农业产生了一定的不利影响，应适当采取应对措施，主要是科学合理整枝，增加地面受光面积，增加地温和地面蓄热能力。必要时加强日光灯的照射。连阴天也需掀放棉被，不要因为降温和光照弱而不掀棉被，阴天也要让菜苗见弱光，以免久阴影响作物生长。

4 结论与讨论

（1）乌昌地区4种不同地形中只有受人为干扰最少的高山带在30年间日照时数增加，气候倾向率为31.1 h/10 a，而受城市化和旅游影响较为明显的中、低山带和平原区的日照时数均下降，气候倾向率分别为-59.3、-27.4、-74.1 h/10 a。

（2）四季中冬季的日照时数减少最为明显，不同地形的平均值达到-24.4 h/10 a，春季的变化最不显著，仅为0.2 h/10 a。高山带30年间日照时数的增加主要是由于夏季日照时数增加较明显；中山带4个季节的日照时数均呈减少趋势，其中冬季的减少趋势最为明显；低山带和平原区冬季的日照时数呈显著性减少，其余3个季节的变化趋势不显著。且在低山带和平原区的各季节中日照时数减少最明显的季节为污染排放量大、逆温层厚而强的冬季。因此，冬季应采取更为清洁的能源来供暖，以防进一步的大气污染而引起的气候变化。

（3）在乌昌地区4种不同的地形中，仅低山带1987年日照时数发生了突变减少。其他区日照时数增加或减少均未发生突变。

（4）乌昌地区设施农业生产的季节主要是冬、春季，种植的主要作物为蔬菜，还有部分种植花卉。冬、春季是昼长较短的时期，也是设施农业生产最需要光照的时间，而此时正是乌昌地区日照时数减少最为明显的时期，因此乌昌地区日照时数的变化对设施农业生产的不利影响较为明显，影响作物的生育期主要在作物生长初期、结果和果实膨大阶段。应适当采取应对措施，主要是科学合理整枝，增加地面受光面积，增加地温和地面蓄热能力。必要时加强日光灯的照射。

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