石島日照時(shí)數(shù)氣候特征分析

林修棟，王 娜，張瑜潔

(1.山東省石島氣象臺(tái)，山東石島 264309;2.煙臺(tái)市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，山東煙臺(tái) 264003;3.山東省煙臺(tái)市氣象局，山東煙臺(tái) 264003)

日照表示一個(gè)地區(qū)接受太陽(yáng)光照射的情況，是地區(qū)氣候形成的重要要素［1］。日照時(shí)數(shù)是決定一個(gè)地區(qū)氣候特征的重要?dú)庀笠蜃?，而目前針?duì)石島氣候資料的研究較少。因此研究日照的時(shí)間分布規(guī)律，對(duì)了解當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣骶哂兄匾囊饬x。筆者利用石島氣象站1981～2010年逐月日照時(shí)數(shù)資料，采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)和小波變換等方法，對(duì)石島近30年日照時(shí)數(shù)的變化規(guī)律和特征進(jìn)行分析。

1 資料和方法

1.1 資料來源 測(cè)定日照時(shí)數(shù)的儀器有暗筒式(又名喬唐式)日照計(jì)和聚焦式(又名康培司托克式)日照計(jì)。在此測(cè)定日照時(shí)數(shù)儀器為暗筒式，資料時(shí)間為1981～2010年，四季為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月～次年2月)，其中月、季度資料均來源于石島國(guó)家氣象觀測(cè)站實(shí)地測(cè)量的日資料加權(quán)獲得。

1.2 分析方法 小波分析是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，聯(lián)系了應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)與信息處理、圖像處理、地震勘探等多個(gè)學(xué)科。它不僅能反映信號(hào)在時(shí)頻域上的總體特征，還能提供局部化的信息，既可給出信號(hào)變化的時(shí)間尺度，也可以顯示出信號(hào)變化的時(shí)間位置，還具有對(duì)突變點(diǎn)的診斷能力。小波分析能將氣象時(shí)間序列曲線分解成交織在一起的多尺度成分，并對(duì)不同尺度成分采用相應(yīng)粗細(xì)的時(shí)域取樣步長(zhǎng)，從而能不斷聚焦到曲線的任意細(xì)節(jié)［2－3］。由于上述特點(diǎn)，小波分析已在信號(hào)分析、語(yǔ)音合成、圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)據(jù)壓縮、地震勘探、大氣與海洋波分析等方面均取得了有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值的研究成果，在氣候變化分析和氣候預(yù)測(cè)方面也有許多成功的例子。根據(jù)魏鳳英研究［4］，可對(duì)小波進(jìn)行放大分析，找出局部結(jié)構(gòu)特征和突變信號(hào)，從平面圖上可以判斷序列存在的顯著周期，并可以利用小波方差診斷出某一周期的最強(qiáng)振動(dòng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 日照時(shí)數(shù)年際變化特征 石島年總?cè)照諘r(shí)數(shù)平均為2 510.7 h，月平均日照時(shí)數(shù)209.2 h，日平均日照時(shí)數(shù)為6.9 h。從近30年年均日照時(shí)數(shù)年際變化(圖1a)可以看出，在1997年出現(xiàn)了近30年的最大值，隨后在1998年出現(xiàn)了低值，但在1999～2000年又出現(xiàn)了較高值，與此相對(duì)應(yīng)的是山東半島的20世紀(jì)末大旱。20世紀(jì)80～90年代年均日照時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)，而進(jìn)入21世紀(jì)年均日照時(shí)數(shù)下降明顯，其幅度超過了20世紀(jì)后20年的上升值，其中2008年為近30年年均日照時(shí)數(shù)的最小值。近30年石島年日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為－14.1 h/10a。

圖1 1981～2010年石島年均日照時(shí)數(shù)年際變化趨勢(shì)(a)和小波分析(b)

從近30年年均日照時(shí)數(shù)的小波分析(圖1b)可以看出，在年際時(shí)間變化尺度上，年日照時(shí)數(shù)偏多、偏少期交替出現(xiàn)，前期存在比較明顯的3年左右的時(shí)間尺度周期，后期存在明顯的18年左右的時(shí)間尺度周期，序列的突變點(diǎn)在出現(xiàn)1998年;2010年的等值線未閉合，說明未來仍將處于日照偏少期。

2.2 日照時(shí)數(shù)月變化特征 從近30年石島各月日照時(shí)數(shù)平均值分布趨勢(shì)(圖2)可以看出，石島日照時(shí)數(shù)變化年內(nèi)為雙峰型，最大值出現(xiàn)在5月，次大值出現(xiàn)4和10月，最小值在7月，這主要是在進(jìn)入5月份后處于當(dāng)?shù)氐难雌?5～9月)，陰雨天氣增多，直到7月份達(dá)到最低，然后隨著時(shí)間推移，日照時(shí)數(shù)增多，進(jìn)入冬季，受太陽(yáng)入射緯度角影響，12月～次年2月為全年最低區(qū)間，進(jìn)入春季后，又逐漸增多，直到5月份到達(dá)最高。

圖2 1981～2010年石島日照時(shí)數(shù)月變化

2.3 日照時(shí)數(shù)季節(jié)變化特征 由圖3可見，近30年石島春、夏、秋、冬四季日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率分別為11.2、－28.9、－28.3、7.6 h/10a，可見春季和冬季的日照時(shí)數(shù)均呈增多趨勢(shì)，夏季和秋季的日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì)，春季較冬季增加的明顯，夏季較秋季減少的明顯。

圖3 1981～2010年石島春、夏、秋、冬四季日照時(shí)數(shù)逐年變化

2.3.1 春季。5年滑動(dòng)平均線表明，近30年石島春季日照時(shí)數(shù)呈總體增多、階段性變化，基本為1981～1991年總體偏少、1992～2002年總體偏多、2003～2010年總體偏少的少－多－少趨勢(shì);10年滑動(dòng)平均線表明，1994年以后春季日照時(shí)數(shù)進(jìn)入增多趨勢(shì)。從春季日照時(shí)數(shù)距平的小波變換圖(圖4a)可以看出，春季30年時(shí)間尺度的偏多、偏少日照時(shí)數(shù)年交替出現(xiàn)，在16～18年時(shí)間尺度上，其周期變換呈少－多－少－多－少趨勢(shì)，在1997年之前5～7年時(shí)間尺度存在正負(fù)閉合中心交替出現(xiàn)的特征，對(duì)應(yīng)的2個(gè)偏少日照時(shí)數(shù)階段為1981～1985和1989～1990年，偏多日照日數(shù)階段為1986～1988和1991～1997年，其突變點(diǎn)在1994年;1997年之后表現(xiàn)為4～5年時(shí)間尺度左右的周期。2010年后等值線基本閉合，表明春季日照時(shí)數(shù)將逐漸進(jìn)入近期偏少、總體偏多期。

圖41981～2010年石島春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)日照時(shí)數(shù)距平小波分析

2.3.2 夏季。5年滑動(dòng)平均線表明，近30年石島夏季日照時(shí)數(shù)呈基本震蕩減少的趨勢(shì)，在1998年后有所增加，但進(jìn)入2004年又開始減少;10年滑動(dòng)平均線表明，2007年之后夏季日照時(shí)數(shù)明顯減少。夏季日照時(shí)數(shù)距平的小波變換(圖4b)顯示，在8～11年時(shí)間尺度上，1998年以前總體偏少明顯;1987年以前存在5～7年的周期，之后有所上移，之后的周期基本為8～10年，對(duì)應(yīng)的日照時(shí)數(shù)階段為1983年以前偏多、1984～1987年偏少、1988～1992年偏多、1993～1996年偏少、1997～2002年明顯偏多、2003～2005年偏少，且2003年之后存在一個(gè)6年左右的周期，突變點(diǎn)在2004年。進(jìn)入2010年后等值線尚未閉合，表明夏季日照時(shí)數(shù)將逐漸進(jìn)入近期偏少、總體偏少期。

2.3.3 秋季。5年滑動(dòng)平均線表明，近30年石島秋季日照時(shí)數(shù)呈基本震蕩減少的趨勢(shì)。秋季與夏季的日照時(shí)數(shù)走勢(shì)比較接近。秋季日照時(shí)數(shù)在1997年后有所增加，進(jìn)入2003年又開始減少。10年滑動(dòng)平均線表明，2006年之后秋季日照時(shí)數(shù)明顯減少。從秋季日照時(shí)數(shù)距平的小波變換圖(圖4c)可以看出，在1986年以前存在6～7年的周期，之后周期基本在2～3年，對(duì)應(yīng)的日照時(shí)數(shù)階段為1983年以前偏多、1984～1987年偏少、1988～1998年偏多偏少年交替出現(xiàn)但總體偏少，1999～2002年偏多較明顯，進(jìn)入2003年后偏少明顯，直至2010年等值線仍未閉合，表明秋季日照時(shí)數(shù)將逐漸進(jìn)入近期明顯偏少、總體偏少期。

2.3.4 冬季。5年滑動(dòng)平均線表明，近30年石島冬季日照時(shí)數(shù)在1995年后有增加趨勢(shì)，到2004年開始減少。10年滑動(dòng)平均線與5年滑動(dòng)平均線接近。由冬季日照時(shí)數(shù)距平的小波變換圖(圖4d)可見，在14～16年尺度基本為少－多－少的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的日照時(shí)數(shù)階段為1981～1994年偏少;1995～2004年顯著偏多、2004～2010年偏少;在5～7年時(shí)間尺度存在著少－多－少－多－少－多－少的趨勢(shì)，分別對(duì)應(yīng)著1981 ～1982、1983、1984 ～1985、1986、1987 ～1994、1995 ～2004和2005～2010年。2010年的曲線在下方閉合，表明在14～16年上冬季日照時(shí)數(shù)仍處于近期偏少、總體偏多期，在5～7年上冬季日照時(shí)數(shù)將逐漸進(jìn)入近期偏多、總體偏多期。

3 結(jié)論

(1)1981～2010年石島日照時(shí)數(shù)年際變化較大，20世紀(jì)80～90年代年均日照時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)，而進(jìn)入21世紀(jì)年均日照時(shí)數(shù)下降明顯，其幅度超過了20世紀(jì)后20年的上升值;近30年石島年日照時(shí)數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，其氣候傾向率為－14.1 h/10a;未來一段時(shí)間日照時(shí)數(shù)仍處于偏少期。

(2)石島日照時(shí)數(shù)年內(nèi)變化為雙峰型，最大值出現(xiàn)在5月，次大值出現(xiàn)4和10月，最小值在7月。

(3)石島日照時(shí)數(shù)季節(jié)呈階段性變化，春季在1997年前存在16～18、5～7年的變化，之后存在4～5年的變化;夏季整體存在8～11年的周期變化，在1987年前為5～7年，1988～2003年為8～10年，2003年之后存在一個(gè)6年左右的周期;秋季在1986年以前存在6～7年的周期，之后周期基本在2～3年;冬季存在14～16和5～7年周期變化。

［1］陸忠艷，周軍，邱新法，等.可照時(shí)間受地形的影響及其精細(xì)的空間分布［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(1):64 －71.

［2］孫延奎.小波分析及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］秦前清，宗凱.實(shí)用小波分析［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

［4］魏鳳英.氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)方法研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17(6):736－742.