叶尔克江·霍依哈孜，黄 健，王 森，阿帕尔·肉孜*

（1.昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；3.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

近些年来，气候变化越来越受人类的重视，同时区域性气候已引起人们普遍关注[1]。 据科学研究表明，平均地表温度一直在增高，近50 a 来平均地表气温增幅约为1.1 ℃，每10 a 增温速率约为0.22 ℃，21 世纪以来增温趋势更加明显[2]。气候变暖背景下，风速、气温、降水、光照等气象要素都有不同程度的变化[3]。 日照时数是太阳直射光线照射地面的时间，是太阳辐射变化的直接反映， 日照时数的长短与大气热力状况、 动植物生长发育、 农牧业生产密切相关，是植物光合作用必不可少的条件，是重要的农业气候资源，也是影响气候变化的主要要素之一[4-5]。随着气候的变暖、 城市的发展和人为污染物排放的加剧，各地日照时间的长短发生了巨大的变化。日照时数时空变化研究对气候资源开发利用、 农业结构调整、农业生产合理布局具有重要意义[6-7]。 众多学者对各地区日照时数的变化进行了研究。 李慧群等[8]指出中国绝大部分地区近50 a 来日照时数总量呈减少的趋势，黄小燕等[9]研究表明中国西北地区大部分地区日照时数呈明显的减少趋势，苗运玲[10]、杨艳玲等[11]研究了新疆哈密地区，刘强吉等[12]研究了新疆巴州地区，禹朴家等[13]研究新疆天山北坡，郑玉萍等[14]研究乌鲁木齐市北部农区，赵勇等[15]研究新疆天山地区日照时数的气候特征， 结果显示日照时数均呈减少趋势。 昌吉地区是新疆主要的农牧业生产地，也是太阳能丰富的地区，研究其日照时数的变化对指导农业经济发展具有重要意义。目前，昌吉地区日照时数变化趋势和规律及其影响因子的研究较少，因此，本文选取1970—2020 年昌吉地区10 个气象站逐月日照时数资料，对昌吉地区近51 a 日照时数时空变化及其影响因素进行分析。

1 研究区气候特征及研究方法

1.1 研究区域概况

新疆昌吉回族自治州地处天山北麓、 准噶尔盆地东南缘，43°20′～45°00′N，85°17′～91°32′E。地势南高北低，由东南向西北倾斜，南部是天山山地，中部为广袤的冲积平原，北部为浩瀚的沙漠盆地。昌吉回族自治州辖有5 县2 市（图1）。 昌吉位于欧亚大陆腹地、四周环山的盆地中，降水少，干燥度大，蒸发强烈，气温变化剧烈，为典型的大陆性干旱气候。 具有冬季寒冷漫长，夏季炎热，光照充足，热量丰富，气温年较差、日较差大，春、秋季气温变化剧烈，春、夏季多风的气候特点。 各地常年平均气温在2.3～8.0 ℃，无霜期为145～172 d，≥0 ℃的活动积温为2 446.3～4 161.8 ℃，≥10 ℃的活动积温为1 849.6～3 671.8 ℃，年降水量为153.8～343.5 mm，年蒸发量为1 606.8～2 163.3 mm，年日照时数为2 701.8～3 075.8 h，年平均大风日数为4～22 d。

图1 研究区域地形

1.2 研究方法

1.2.1 数据与分析方法

选用1970—2020 年新疆昌吉回族自治州（下称昌吉地区）各县市10 个国家气象观测站的日照时数观测资料； 同时参照地貌和气候特点将昌吉地区划分为西部、中部、东部和山区4 个区域，其中，玛纳斯县和呼图壁县气象站代表西部，昌吉市、蔡家湖和阜康市气象站代表中部，吉木萨尔县、奇台县和木垒县气象站代表东部，天池和北塔山气象站代表山区。季节的划分根据北半球典型的划分方法，3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月—次年2月为冬季。

本文采用反距离加权（IDW）插值法、突变检验、气候倾向率和趋势变化等分析昌吉地区日照时数空间分布和趋势变化特征， 运用Pearson 相关性分析昌吉地区10 个气象站近51 a 总云量、扬沙日数、水汽压、 大风日数和雾日数等5 个气象因子与日照时数的相关性。

1.2.2 气候倾向率

气候倾向率可以用来显示气候要素随时间的变化趋势[16]，用yi表示样本量为n 某一气候变量，用表示xi所对应的时间序列，建立yi与xi之间的一元线性回归方程[17-21]：

式中，i 为年序列，a 为回归系数（线性方程的斜率），也就是气候要素的线性变化趋势和速率， 也称为倾向率。a＞0 表示气候要素随时间x 的增加气候变量y呈增加趋势；若a＜0，则说明随时间x 的增加y 呈下降趋势。b 为常数，可通过最小二乘法求取[16-21]。本文运用趋势分析法探究近51 a 昌吉地区日照趋势变化，采用一元线性回归进行气候趋势倾向估计。

1.2.3 突变检验

借助Matlab R 2018b 和Origin 2018 等软件，主要从最常见的Mann-Kendall（简称M-K）检验[16-22]着手， 再考虑日照时数演变趋势和累积距平值的变化情况， 进一步检验昌吉地区日照变化趋势和突变特征。

1.2.4 反距离权重插值方法

运用ArcGIS10.7 中的反距离权重插值IDW（Inverse Distance Weighted）方法将昌吉地区日照数据进行空间插值，得到相应的空间分布。 IDW 是一种常用而简便的空间插值方法， 它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均， 是基于相近相似的原理，每个采样点都对插值点有一定的影响，即权重。 权重随着采样点和插值点之前距离的增加而减小，离插值点越近的样本点赋予的权重越大，而且当采样点在距离插值点一定范围以外时， 权重可以忽略不计[23-24]。 IDW 通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元值。 IDW 是一个均分过程，这一方法要求离散点均匀分布， 并且密集程度足以满足在分析中反映局部表面变化。

设平面上分布一系列离散点， 任一离散点的值是各采样点权重之和， 已知其坐标和值为xi，yi，zi，（i=1，2，3，…，n），根据周围离散点的值，通过距离权值求目标插值Zp，表示为：

式中，zi为第i 个采样点数值，di为第i 个采样点到插值点距离，di2=（x-xi）2（y-yi）2，d-μ为距离衰减函数，权指数μ 表示距离越大而影响越小。 当μ=0 时，距离没有影响；当μ=1 时，距离的影响为线性；当μ＞1时， 遥远位置的影响快速减少。 μ 通常取值为1 或2，但多数学者认为μ=2 得到的试验效果更好，本文中μ 值取2。

1.2.5 Pearson 相关系数分析

采用Pearson 相关系数分析法对每一个像元相应的年日照时数与相应的各年总云量、扬沙日数、水汽压、 大风日数和雾日数等气象因子进行相关性分析，以此分析日照时数与气候因子之间的响应关系。Pearson 相关分析是一种准确度量2 个变量之间的关系密切程度的统计学方法， 系数大小可以反映2个变量相关关系的密切程度， 将两组气象要素记为（xi，yi）（i=1,2,…，n），则相关系数的数学表达式为[25-26]：

2 结果分析

2.1 日照时数年际和年代变化

统计昌吉地区各县市10 个国家气象观测站近51 a 各年累计日照时数， 分析其变化特征和趋势（图2a）。昌吉地区近51 a 日照时数呈明显的减少趋势，气候倾向率为-62.8 h/10 a，并通过0.001 的显著性检验，51 a 来减少320 h， 并且1987 年以来减少速率有加快趋势。昌吉地区近51 a 日照时数年际间波动较大， 多年平均为2 840.3 h， 最小值出现在2016 年，为2 531.4 h；最大值出现在1974 年，为3 044.5 h； 有24 a 的日照时数超过多年平均值，有27 a 的日照时数低于多年平均值；最大与最小年日照时数之差为513.1 h。 从5 a 滑动平均曲线来看，近51 a 日照时数逐年下降， 其中1972—1987 年、1993—2002 年和2011—2015 年3 个阶段日照时数呈现较大的减少趋势， 其中， 第1 阶段减少幅度最大， 其次是第3 阶段。 从不同年代日照时数总量来看，20 世纪70—90 年代的日照时数偏多，均高于多年平均值；21 世纪以来，各年代日照时数明显偏少，远低于多年平均值（表1）。 在M-K 检验中（图2b），日照时数M-K 统计曲线和年际变化趋势线基本吻合， 整体呈减少趋势，UFk和UBk曲线在1987 年出现交点， 是突变开始的年份，UFk曲线在2002 年超出0.05 显著性水平临界线， 在2016 年超出0.01 显著性水平临界线，说明昌吉地区日照时数逐年减少趋势十分显著，1987 年开始突变减少并在2002 年开始减少比较明显， 突变前多年平均日照时数比突变后多180.41 h。

图2 昌吉地区日照时数年际、年代变化（a）及M-K 检验（b）

表1 昌吉地区年和四季平均日照时数变化 h

2.2 日照时数季节变化

对昌吉地区10 个站近51 a 各年各季平均日照时数的分析表明， 各季日照时数均呈现不同程度的下降趋势（图3）。 日照时数春季平均为803.0 h，下降速率为-7.2 h/10 a；夏季平均为912.5 h，下降速率为-11.9 h/10 a； 秋季平均为672.8 h， 下降速率为-12.9 h/10 a； 冬季平均为452.4 h， 下降速率最大，为-31.7 h/10 a；其中，春季下降趋势未通过显著性检验，变化趋势不显著，其它季度通过0.001 的显著性检验。 日照时数夏季最多，其次是春季和秋季，冬季最少。各季度日照时数均有下降趋势，冬季日照时数下降趋势最快，其次是秋季和夏季，春季最慢，说明冬季日照时数的逐年减少对全年日照时数逐年减少作用最大，是年日照时数减少的主要贡献者；各季年代际变化与全年年代际变化基本一致（表1）。

图3 昌吉地区春、夏、秋、冬季日照时数逐年变化

2.3 日照时数月变化

昌吉地区10 个站近51 a 各月多年平均日照时数年内变化基本一致，均呈现双峰型（图4）。最大值出现在5、7 和8 月，分别为312.1、308.8、302.9 h，最小值出现在12 月， 为128.7 h；1—5 月日照时数持续上升，5 月达到最大值，8 月以后不断下降， 在12月达到最小值（图5）。1—12 月各月的日照时数均呈现不同速率的减少趋势， 减少速率为-1.37～-0.15 h/10 a（表2），其中，1 月日照时数减少最为明显，近51 a共减少了68.5 h，12 月次之。 各月各站最高日照时数依次为： 呼图壁＞蔡家湖＞阜康＞玛纳斯＞昌吉＞北塔山＞木垒＞奇台＞吉木萨尔＞天池。

图4 昌吉地区各站日照时数逐月变化

图5 昌吉地区日照时数逐月变化

表2 昌吉地区日照时数各月变化趋势

2.4 日照时数空间变化特征

昌吉地区日照时数年平均值为2 840.3 h，空间分布呈现“东部多、中西部少，山区多、平原少”的格局（表3）。 木垒县和北塔山日照时数在3 000 h以上，呼图壁和奇台县日照时数在2 900 h 以上，蔡家湖和吉木萨尔县日照时数在2 800 h 以上， 玛纳斯、昌吉市和阜康市日照时数在2 700 h 以上，天池日照时数最小，为2 603 h（图6a）。 从空间变化趋势来看， 阜康市近51 a 日照时数减少趋势最为明显（图6b），减少率为-113.4 h/10 a；其次是呼图壁县和蔡家湖，减少速率分别为-77.6、-75.9 h/10 a；吉木萨尔县、奇台县和北塔山，减少速率分别为-69.9、-71.4、-70.9 h/10 a； 其余县市减少速率较慢，在-2.54～-59.8 h/10 a。 中西部地区的日照时数减少速率明显大于东部地区和山区。

图6 昌吉地区日照时数空间分布（a）和变化趋势空间分布（b）

表3 昌吉地区不同区域日照时数变化

2.5 日照时数的主要影响因子分析

气象因子是造成日照时数变化的主要原因，在全球变暖的气候背景下， 日照时数的年际变化与气象因子变化有密切的关系， 为深入分析影响日照时数变化的主要气象因子， 选取与日照时数变化密切相关的总云量、扬沙日数、水汽压、大风日数和雾日数等气象因子，并对选取的气象因子进行趋势分析，对气象因子与日照时数进行Pearson 相关性分析。结果显示（表4），各气象因子变化趋势有一定差异，总云量中西部呈增加趋势，东部和山区呈减少趋势；扬沙日数和大风日数各地均呈减少趋势； 水汽压和雾日数各地均呈增加趋势。昌吉地区总云量、水汽压和雾日数呈增加趋势，增加趋势显著，其中雾日数增加速率最大，为11.72 d/10 a；扬沙日数和大风日数呈减少趋势，减少趋势显著。

表4 昌吉地区各站总云量、扬沙日数、水汽压、大风日数和雾日数的变化

各站日照时数与气象因子相关分析结果表明（表5），昌吉地区日照时数与总云量、水汽压和雾日数呈显著负相关，其中水汽压和雾日数通过0.01 的显著性检验，与大风日数和扬沙日数呈显著正相关，并通过0.01 的显著性检验。

表5 昌吉地区各站日照时数与有关因子之间的相关性

日照时数与水汽压和雾日数的负相关性最强，这表明水汽压逐年增加和雾日数的增多是日照时数减少的主要原因。 昌吉地区各地日照时数减少趋势明显，其中阜康较突出，从玛纳斯到奇台是水汽压和雾日数分布较多区域，近51 a 昌吉地区各地水汽压显著增加趋势， 水汽压的增加表明大气中的水汽含量增多，水汽对太阳辐射的散射、折射及吸收等直接影响着日照时数， 大气中水汽含量的高低也直接影响雾日数的多或少（尤其是冬季），这表明水汽压和雾日数显著增加是影响昌吉地区日照时数减少的主要因素。另外日照时数与大风日数呈显著正相关，大风日数变少引起云层易集聚、污染物扩散慢、不同程度地降低大气透明度，削弱太阳辐射，进而降低日照时数， 因此大风日数也是影响昌吉地区日照时数的因素之一。

日照时数与水汽压和雾日数呈显著负相关，并通过0.01 的显著性检验，与大风日数和扬沙日数呈显著正相关，并通过0.01 的显著性检验。 水汽压的增大、雾日数的增多、大风日数的减少是造成昌吉地区日照时数减少的主要原因。

3 讨论

昌吉地区近51 a 日照时数呈减少趋势，这与李慧群、陈少勇、张山清[27-29]等研究结论一致。 昌吉地区51 a 水汽压的增大、雾日数的增多、大风日数的减少是造成昌吉地区日照时数减少的主要原因，这与肖风劲[30]、虞海燕[31]、黄小燕[32]、张立波[33]、武鹏飞等[34]研究日照时数减少与降水、空气湿度、风、能见度有关的结论基本一致。本研究发现水汽压的增大、雾日数增多、大风日数减少对日照时数减少作用大；冬季日照时数减少的最快， 且对全年日照时数减少的影响最大；这很可能是由于当地工业活动增加，大气污染排放增加， 环境中气溶胶等污染物增加造成雾日数增加（尤其是冬季）而导致能见度降低所致，这与孔锋[35]等研究结论一致。 本文分析了昌吉地区日照时数时空变化规律特征并初步分析了日照时数与气象因子的关系， 研究结果对明确区域气候变化特征及其驱动因子具有一定的科学指导意义。 影响日照时数变化的因素是多方位和复杂的， 随着阶段和区域的不同，其影响因素也存在阶段性和区域性。本文只对各气象因素对日照时数的影响进行了初步研究， 并未具体分析大气污染等其它环境因素的影响，后期结合气象因素进一步考虑大气环流、大气污染特征、城市发展、人类活动和地形等因素对日照时数的影响，日照时数对农业生产的影响方面的分析。

4 结论

（1）昌吉地区日照时数年际波动较大，且呈明显的减少趋势，气候倾向率为-62.8 h/10 a，昌吉地区各季日照时数变化不一， 不同季的日照时数均呈下降趋势， 其中冬季减少趋势最为显著， 气候倾向率为-31.7 h/10 a， 且对全年日照时数的减少影响最大。

（2）昌吉地区日照时数年内变化呈双峰型，最大值出现在5、7、8 月，分别为312.1、308.8、302.9 h，最小值出现在12 月，为128.7 h，日照时数最高月份是最低月份的2.4 倍；各月日照分布不均，波动较大，1—12 月日照时数均呈减少趋势，减少速率为-1.37～-0.15 h/10 a，其中，1 月减少最为明显，近51 a 共减少了68.5 h，12 月次之。

（3） 昌吉地区日照时数多年平均为2 840.3 h，东部地区的日照时数明显高于中西部地区，呈现“东部多、中西部少，山区多、平原少”的分布特征。 昌吉地区各县市日照时数均呈减少趋势，其中，阜康市日照时数减少最为明显，减少速率为-113.4 h/10 a；其余县市减少速率为-2.54～-77.6 h/10 a。 中西部地区的日照时数减少速率明显大于东部地区和山区。

（4）昌吉地区日照时数在1987 年发生突变，在2002 年超出0.05 显著性水平临界线，在2016 年超出0.01 显著性水平临界线， 说明昌吉地区日照时数减少十分明显。水汽压的增大、雾日数的增多、大风日数的减少是造成昌吉地区日照时数减少的主要原因。