河南省近十年来气温和日照时数变化特征对应分析.docx
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河南省近十年来气温和日照时数变化特征对应分析
河南省近十年来气温和日照时数变化特征对应分析
罗艳霞
（河南大学环境与规划学院河南开封475004）
摘要：
利用河南省近十年的气温数据与日照时数数据资料，分析河南省气温与日照时数的年平均变化及四季变化规律，并通过SPSS软件对两组变量进行相关性分析与检验。
结果表明：
河南省从2003年到2012年近10年来年均气温呈波动状上升趋势，2004年达到10年来的最低温，低至12.5℃，2008年上升至10年来的最高温，达到15.1℃，与最低年均气温相差2.6℃。
年均日照时数呈波动状降低趋势，2004年达到10年来的最长年均日照时数，高达1955h，2011年是10年来年均日照时数最短年份，低至1360h，与最长日照时数差了595h；最高气温变化呈上升趋势，而最低气温变化呈下降趋势，即最高气温与最低气温呈反向变化趋势。
最长日照时数变化比较平缓，而最短日照时数变化则比较显著，最长日照时数与最短日照时数均呈下降趋势，最长日照时数均在2000h以上，最短日照时数均低于700h。
河南省2003年到2012年河南省春季和秋季气温变化趋势均为正向变化，与年均气温变化趋势一致，夏季和冬季气温变化趋势均呈负向变化，可以看出春季的变化最为显著，冬季气温变化振幅最大，最高年均气温9.9℃，最低年均气温为13℃，相差8.6℃；除了春季日照时数变化趋势为正向变化外，夏、秋、冬三个季节均呈负向变化，与年日照时数变化趋势一致，春季日照时数变化振幅最大，最长年均日照时数为2134h，最短年均日照时数为1447h，相差687h。
平均气温和日照时数的Pearson相关系数为0.318，表明年均气温与年均日照时数呈低度相关关系，两者存在低度线性关系。
关键词：
河南；气候特征；温度；日照时数；特征值；t检验；特征提取
第一章绪论
1研究的目的与意义
人类社会影响着气候变化，气候变化对人类社会和自然系统也有很大的影响，气候变化太快可能会对人类最基础的生活产生严重的影响。
气候的急剧变化对我国的经济发展的影响既有正面的，也有负面的影响，而这些影响实际上是不可逆转的，所以我们要着重了解与研究其负面影响的部分。
气候变化对农业、水资源、重大工程、铁路和公路有重大影响。
全球变暖使水循环的过程速度加快，降水的空间不均匀性增加[1]。
同全球气候变化一样，我国的气候与环境已经发生了巨大的变化，平均气温逐渐上升，严重影响到我国经济社会的发展，这种影响仍将持续并不断加剧。
因此我们应当重点关注气候变化的负面影响方面，这样才能很好地控制气候变化所带来的危害。
通过这篇论文，利用河南省近十年的气温数据与日照时数数据资料，分析河南省气温与日照时数的年平均变化及四季变化规律，并通过SPSS软件对两组变量进行相关性分析。
这样的研究不仅对河南省的农业发展有很大的作用，对我国其他地区的农业、经济的发展都有一个很大的指导作用。
2国内外研究进展
在人类社会历史上，自然界是影响气候变化主导因素，社会的发展使得人类对不可再生资源进行大量开采和使用，使大量温室气体向大气中排放。
温室气体使得地球表面的温度不断上升已经成为严重的全球生态环境问题[2]。
气候变化对人类历史的影响非常明显，是塑造人类历史的基础性力量[3]。
引起气候变化的根本原因可分成自然的气候波动与人类活动的影响。
作为自然力量的显现，各个年份、各个季节的气候都将影响农作物的收成，长此以往就会影响植物和动物分布的方式，进而也影响到了人类在地球各个部分定居的能力；而人类活动对气候变化的影响体现在工业革命时期开始对不可再生资源的丝毫不加限制地大量开发和使用，这种影响扩张到全球，而人类活动对气候系统变化逐渐成为主要影响。
地球表面温度增长的速度很慢，但是由于二氧化碳等温室气体的滞后效应，其叠加效应和各种连锁反应后果是非常严重的。
当前人类社会所面临各种高温天气、各种极端天气事件,全球大气中二氧化碳平均浓度急剧上升，大气中其它温室气体的含量也在增加。
地球气候系统在人类活动的影响下已经发生变化，这是人类所要面临的最大危机[4]。
人类从很早的时候就开始了对气候变化进行研究，国内外对气候变化做了多方面、多视角的研究，让气候变化的研究成为各个领域的研究热点。
杨明[5]研究发现，近50年来中国9个区域的气温年际平均值变化与季节平均值变化均处于增加趋势。
陈彬彬[6]对河南省近45年来平均气温的研究显示，河南省近45年来平均气温变化总体呈现上升趋势。
任国玉[7]等研究表明，近50年来我国日照时数呈显著降低趋势，这与全球日照时数的变化一致。
根据河南省1965年到2006年的年、季日照时数资料[8]，分析得出以下结论：
日照时数呈下降趋势倾向率为-11.4h/年。
这些研究基本与全球气候变化一致。
当然，国外对气候变化的研究也很丰富，自从气候变化相关问题进入到国际政治议程上以来，有关气候变化的国际政治经济学著作不断涌现。
2007年IPCC在第四次对有关气候变化的综合评估研究显示：
过去100年间全球地表空气温度升高约0.74℃[9]。
说明全球气温将持续上升趋势，且上升幅度将会加快。
人类活动已经成为推动地球系统变化的一种强迫力，且此强迫力在十年至百年尺度的变化上已经与自然界系统相当或过之[10]。
IPCC在第三次评估报告中指出，过去50年内大部分增暖源自于人类活动[11]，在第四次报告中显示在对全球六大洲（除南极洲）进行气候变暖归因后，将人为驱动力因素作用的信度水平提高至90%[12]。
上述对气候的研究面很广，但是并没有把气候中的温度与日照时数单独研究，那么我将要研究的就是河南省的温度与日照时数的变化特征及他们两者之间是否存在某种关联。
本研究的主要思路是运用EXCEL做出温度与日照时数的年纪变化图、季节变化图、最高值与最低值变化图，并分析其变化曲线的含义；运用SPSS软件对气温与日照时数变化进行Correlate相关分析，同时对两个独立变量一元回归分析。
通过上述的研究我们可以得出关于气温变化与日照时数变化的变化特征及两变量的相关程度。
第二章数据的收集及分析方法
1研究区概况
河南位于中国中东部、黄河中下游，界于北纬31°23′-36°22′，东经110°21′-116°39′之间，东接安徽、山东，北界河北、山西，西接陕西，南临湖北。
地势西高东低，北、西、南三面千里太行山脉、伏牛山脉、桐柏山脉、大别山脉沿省界呈半环形分布；中、东部为华北平原南部；西南部为南阳盆地，跨越黄河、淮河、海河、长江四大水系，山水相连。
河南省处于暖温带和亚热带交错的边缘地区。
全省年均气温为12.8—15.5℃。
7月最热,月均气温在23.9—27.7℃之间；1月最冷,月均气温在-2.5—2.5℃之间。
无霜期在190—230天之间。
年降水量从北到南在550—1295mm之间。
气候的异常变化产生的各种气象灾害对经济发展产生极为不利的影响[13]。
2数据来源
利用河南省郑州、开封、商丘、信阳等17个地市各气象区站从2003至2012年近10年的逐月地面观测数据，选取日照时数、平均气温等气象要素，研究河南省平均气温与日照时数的年纪变化与季节（春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月）变化特征，并分析平均气温与日照时数的相关性及t检验。
17个气象站的分布如图1所示：
图1河南省17个气象站分布图
3分析方法
3.1相关分析
相关分析是研究两个或多个变量之间是否存在某种依存关系的统计学分析方法。
相关分析分为简单相关分析、偏相关分析和距离分析。
这里因为是研究日照时数和平均温度两个变量的相关程度进行分析，所以我们用简单相关分析方法来分析。
简单相关分析是利用相关系数r的大小来判断变量间相关关系的密切程度，具体见表一所示。
表1相关系数的值与直线相关程度的关系
相关系数的值
直线相关程度
|r|=0
完全不相关
0<|r|≦0.3
微弱相关
0.3<|r|≦0.5
低度相关
0.5<|r|≦0.8
显著相关
0.8<|r|≦1
高度相关
|r|=1
完全相关
3.2一元线性回归
一元线性回归模型是用来考察两个变量之间的数量变化规律的一种数学建模，并通过线性表达式来描述其关系，进而确定一个变量的变化对另一个变量的影响程度。
一元线性回归的经验模型是：
式中，
表示回归直线在纵轴上的截距，是回归系数，它表示当自变量变动一个单位所引起的因变量的平均变动值。
第三章分析过程与结果
1气温的变化特征
1.1年均气温
为了研究方便，分别以每年的年平均气温来研究气温的年纪变化。
由图2年均气温变化曲线可知，河南省近10年来年均气温呈波动状变化，且以1.7576（0.1℃）/年的速率呈上升趋势，由R^2=0.3685可知，该趋势属于低度显著地上升。
2003年到2004年间年均气温是下降的，2004年达到10年来的最低年均气温，低至12.5℃；此后开始一直呈现上升趋势，直到上升至2006年；2006年到2010年变化比较平稳，到2008年上升至10年来的最高年均温度，达到15.1℃，与最低年均气温相差2.6℃，但是2010年到2011略有下降，2011年后年均气温有上升趋势。
图2年平均温度时间序列图
1.2最高气温与最低气温
由图3可知，最高气温以0.20183℃/年的速率呈上升趋势，而最低气温则以-0.19333℃/年的速率呈下降趋势，即最高气温与最低气温变化不对称。
由图3中可以看出，最高气温均25℃，最低气温均低于0℃，2011年气温的最高值与气温最低值相差最大，约为33.1℃。
图3最高气温与最低气温时间序列图
1.3四季气温变化
图4为河南省近10年来各季节气温逐年变化图。
可以看出2003年到2012年河南省春季和秋季气温变化趋势均为正向变化，与年均气温变化趋势一致，夏季和冬季气温变化趋势均呈负向变化，四季的变化倾向率分别为0.12788℃/年、-0.01879℃/年、-0.00364℃/年、-0.07455℃/年，可以看出春季的变化最为显著。
由图可以看出，以冬季气温变化振幅最大，最高年均气温9.9℃，最低年均气温为13℃，相差8.6℃，春、夏、秋三季最高年均气温与最低年均气温分别相差4.9℃、8.4℃、5.6℃。
图4四季平均气温时间序列图
2日照时数的变化特征
2.1年日照时数
为了研究方便，分别以每年的年平均日照时数来研究日照时数的年纪变化。
由图5年均日照时数变化曲线可知，河南省近10年来年均日照时数呈波动状变化，且以-12.612h/年的速率呈降低趋势，由R^2=0.3263可知，该趋势属于低度显著地降低。
2003年到2004年间日照时数是上升的，2004年达到10年来的最长年均日照时数，高达1955h；此后开始一直呈现下降趋势，直到降至2008年；2008年到2009年间有上升，但是2009年后又开始下降，直至降到2011年，2011年是10年来年均日照时数最短年份，低至1360h，与最长日照时数差了595h；此后年均日照时数有上升趋势。
图5年均日照时数时间序列图
2.2最长日照时数与最短日照时数
由图6河南省近10年来最长日照时数与最短日照时数变化曲线可知，最长日照时数变化比较平缓，而最短日照时数变化则比较显著，最长日照时数以-3.5394h/年的速率呈下降趋势，而最短日照时数则以-15.364h/年的速率呈下降趋势，即最高气温与最低气温变化均呈负向变化。
由图中可以看出，最长日照时数均在2000h以上，最短日照时数均低于700h，2006年分别为最长日照时数与最短日照时数中极大值与极小值的年份，相差约有2601h。
图6最长日照时数与最短日照时数时间序列图
2.3四季日照时数
图7为河南省各季节日照时数逐年变化情况。
可以看出，2003年到2012年河南省除了春季日照时数变化趋势为正向变化外，夏、秋、冬三个季节均呈负向变化，与年日照时数变化趋势一致，四季的变化倾向率分别为1.0606h/年、-7.8364h/年、-18.230h/年、-30.285h/年，可以看出冬季的变化最为显著。
由图可以看出，四季在2003年到2007年间的变化趋势基本一致，其中以春季日照时数变化振幅最大，最长年均日照时数为2134h，最短年均日照时数为1447h，相差687h。
夏、秋、冬三季最多年均日照时数与最少均年分别相差357h、559h、551h。
图7四季平均日照时数时间序列图
3气温和日照时数关系
表2给出的是当前样本进行描述性统计的结果，可以看到样本容量都等于2136，平均气温和日照时数的平均均值分别为147.91（0.1℃）和1492.40h，两者差距显著。
同时，两者的方差差距也很明显。
表2平均气温与日照时数描述性统计表
描述性统计
平均值
标准差
N
平均气温
147.91
92.290
2136
日照时数
1492.40
469.009
2136
接着SPSS列出了平均气温和日照时数的Pearson相关系数表3。
可以看到，两种指数的Pearson系数值为0.318，表明年均气温与年均日照时数呈低度相关关系，两者存在低度线性关系，说明温度的变化受日照时数的影响，但影响程度不是很显著；相伴概率P<0.01，这也进一步说明两者低度正线性相关。
表3平均气温和日照时数的Pearson相关系数表
相关性
平均气温
日照时数
平均气温
Pearson相关性
1
.318**
显著性（双侧）
.000
N
2136
2136
日照时数
Pearson相关性
.318**
1
显著性（双侧）
.000
N
2136
2136
注：
**.在0.01水平（双侧）上显著相关。
4一元线性回归
首先给出的是自变量进入方式，回归模型的选入变量是日照时数，采用的自变量进入方式是强行进入法，也就是将所有的自变量都放入模型中。
表4是对模型的简单汇总，可决系数R^2=0.101，模型拟合效果比较低，回归性不好，再一次证明了上一节相关分析的结果。
表4回归分析结果（模型摘要表）
模型汇总
模型
R
R方
调整R方
标准估计的误差
1
.318a
.101
.101
87.523
A.预测变量:
日照时数
由表5可见所用的回归模型F统计量值为239.877，P值为0.000，所以可以说我们所用的这个回归模型具有统计学意义。
表5回归分析结果（方差表）
方差分析
模型
平方和
df
均方
F
Sig.
1
回归
1837538.058
1
1837538.058
239.877
.000a
残差
1.635E7
2134
7660.335
总计
1.818E7
2135
A.预测变量:
日照时数
B.因变量:
平均气温
由表6分析可知，常数项和日照时数都是有统计学意义的。
由此得到的平均气温与日照时数之间的一元回归方程为：
Y=0.063X+54.553。
表6回归分析结果（系数表）
系数3
模型
非标准化系数
标准系数
t
Sig.
B
标准误差
试用版
1
（常量）
54.553
6.318
8.635
.000
日照时数
.063
.004
.318
15.488
.000
a.因变量:
平均气温
第四章结论与讨论
（1）河南省近从2003年到2012年近10年来年均气温呈波动状上升趋势，2004年达到10年来的最低年均气温，低至12.5℃，2008年上升至10年来的最高年均温度，达到15.1℃，与最低年均气温相差2.6℃；河南省近10年来年均日照时数呈波动状降低趋势，2004年达到10年来的最长年均日照时数，高达1955h，2011年是10年来年均日照时数最短年份，低至1360h，与最长日照时数差了595h。
（2）河南省近10年来最高气温与最低气温变化比较平缓，最高气温以0.20183℃/年的速率呈上升趋势，而最低气温则以-0.19333℃/年的速率呈下降趋势，即最高气温与最低气温变化不对称，最高气温均25℃，最低气温均低于0℃，2011年气温的最高值与气温最低值相差最大，约为33.1℃；河南省近10年来长日照时数变化比较平缓，而最短日照时数变化则比较显著，最长日照时数以-3.5394h/年的速率呈下降趋势，最短日照时数则以-15.364h/年的速率呈下降趋势，最长日照时数均在2000h以上，最短日照时数均低于700h，2006年分别为最长日照时数与最短日照时数中极大值与极小值的年份，相差约有2601h。
（3）河南省2003年到2012年河南省春季和秋季气温变化趋势均为正向变化，与年均气温变化趋势一致，夏季和冬季气温变化趋势均呈负向变化，可以看出春季的变化最为显著，冬季气温变化振幅最大，最高年均气温9.9℃，最低年均气温为13℃，相差8.6℃，春、夏、秋三季最高年均气温与最低年均气温分别相差4.9℃、8.4℃、5.6℃；河南省2003年到2012年河南省除了春季日照时数变化趋势为正向变化外，夏、秋、冬三个季节均呈负向变化，与年日照时数变化趋势一致，春季日照时数变化振幅最大，最长年均日照时数为2134h，最短年均日照时数为1447h，相差687h。
（4）平均气温和日照时数的Pearson相关系数为0.318，表明年均气温与年均日照时数呈低度相关关系，两者存在低度线性关系，说明温度的变化受日照时数的影响，但影响程度不是很显著。
由一元线性回归分析可知这个回归模型是有统计学意义的，且平均气温与日照时数之间的一元回归方程为：
Y=0.063X+54.553。
通常我们认为日照时数越长则温度则越高，对于日照时数与平均气温相关性的结论可能与我们平常的认知不吻合，我认为有以下原因：
一是我们用的是逐月数据，可能与逐日数据得出的结果会有差别；二是可能因为日照与温度的一个滞后效果，即日照与温度不是一一对应，导致结果有偏差。
这个问题以后再做进一步研究。
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