基于空間插值技術(shù)的西藏日照時數(shù)時空變化特征及其影響因素

于海敬，陳庭甫，張慶國，張寧，董世杰，程夢笛

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2.江西省減災(zāi)備災(zāi)中心，南昌 330036；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，合肥 230036）

氣候變化是全球變化研究的重要內(nèi)容和核心問題之一?？茖W(xué)研究表明，氣候變暖已經(jīng)是全球變化的一個不爭的事實[1]。氣候變化會改變大氣結(jié)構(gòu)，進而對到達地面的太陽輻射產(chǎn)生影響[2]。日照時數(shù)是氣候變化的重要氣象要素之一，它是反映太陽輻射強弱的重要氣候指標(biāo)。研究日照時數(shù)分布的時空特征，對于城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旅游和太陽能資源的開發(fā)利用等都有重要的現(xiàn)實意義[3]。近年來，日照時數(shù)的變化受到越來越多的關(guān)注，許多學(xué)者對日照時數(shù)的時空變化特征進行了研究[4-8]。張山清等[4]研究了新疆近50年來日照時數(shù)的時空變化特征，結(jié)果表明該地區(qū)日照時數(shù)呈由東北向西南遞減的趨勢。辛宏等[5]研究了蘭州市年、季日照時數(shù)的顯著減少與降水量的關(guān)系。劉艷艷等[6]分析了1960—2005年河西干旱區(qū)的日照時數(shù)變化特征，得出該地區(qū)的年和4個季節(jié)的日照時數(shù)總體呈現(xiàn)上升的趨勢，因受到云量和水汽壓的影響，造成該地區(qū)的日照時數(shù)在空間上存在差異。王釗等[7]通過觀測資料并結(jié)合MODIS衛(wèi)星C5氣溶膠產(chǎn)品，分析得出西安的日照時數(shù)在1981—2001年之間存在明顯的下降趨勢，而高濃度的氣溶膠并不是導(dǎo)致西安日照時間降低的因素。毛飛等[8]分析了西藏那曲近40年的日照時數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)那曲地區(qū)年和季的日照時數(shù)都呈減少趨勢。還有學(xué)者對安徽、江蘇、新疆、重慶和中國西北等地區(qū)的日照時數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)的日照時數(shù)總體呈下降趨勢，但有明顯的季節(jié)性和地域性差異[9-13]。

氣候變化不但有全球性的特點，而且具有地域性的特征。近年來，雖然有學(xué)者對西藏的日照時數(shù)變化作了相應(yīng)的研究[14-15]，但西藏地域范圍較大，且區(qū)域內(nèi)空間差異明顯，應(yīng)用空間插值技術(shù)對西藏分區(qū)來研究日照時數(shù)的時空變化特征及影響因素尚未見報道?；诖耍疚膶⑽鞑匕吹匦翁卣鞣譃橄柴R拉雅高山區(qū)（HHM）、藏東高山深谷區(qū)（ETHM）、藏南山原湖盆谷地區(qū)（STLBA）和藏北高原區(qū)（NTP）4個區(qū)域，結(jié)合45年間（1971—2015年）西藏及其周圍地區(qū)共52個氣象站點的日照時數(shù)，應(yīng)用空間插值技術(shù)研究這4個區(qū)域的日照時數(shù)時空變化特征及影響因素，為西藏地區(qū)太陽能資源的開發(fā)利用和氣候變化影響研究提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

西藏位于青藏高原的西南部（78°25′～99°06′E、26°44′～36°32′N），平均海拔在4 000 m以上，是青藏高原的主體部分，有“世界屋脊”之稱。西藏與新疆、青海、四川和云南接壤。因西藏的氣象站點較少，為了提高插值結(jié)果的精度，本文引入西藏及其周圍4個?。ㄗ灾螀^(qū)）的臨近氣象站點的數(shù)據(jù)加以補充。由于西藏地域廣闊，地形復(fù)雜，西藏高原由喜馬拉雅高山區(qū)、藏北高原區(qū)、藏東高山深谷區(qū)和藏南山原湖盆谷地區(qū)4大地貌組成[16]，本文根據(jù)西藏地形和氣象站點所在區(qū)的地理位置對這4個區(qū)域的日照時數(shù)時空變化特征及其影響因素進行研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源及其處理

本文數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/site/index.html）。因西藏地區(qū)地形復(fù)雜，高山深谷區(qū)地形對地面的光照時長有一定的影響，因此，通過加密插值點并進行加權(quán)平均的方法來克服這種影響。本文選取西藏35個氣象站點及其周圍17個氣象站點45年間（1971—2015年）逐日的日照時數(shù)數(shù)據(jù)，并按月、四季和年3種時間尺度進行平均。氣壓、水汽壓、降水量和風(fēng)速數(shù)據(jù)選取西藏35個站點45年間（1971—2015年）的年平均數(shù)據(jù)。本文所選數(shù)據(jù)均經(jīng)過了地面數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，對于部分缺失值采用線性插值方法代替。四季的劃分按冬季12月—次年2月，春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月。通過這些數(shù)據(jù)研究西藏日照時數(shù)的空間分布特征，分析西藏年、季節(jié)和月的日照時數(shù)變化特征，以及可能影響西藏日照時數(shù)變化的氣象要素。

1.3 研究方法

1.3.1 空間插值算法

空間插值是根據(jù)已知點去創(chuàng)建一個要素的空間分布表面，是用來研究區(qū)域內(nèi)部的相似性或平滑度的基礎(chǔ)方法。根據(jù)數(shù)學(xué)原理，空間插值方法可以分為空間確定性插值和地統(tǒng)計插值[12]。本文使用ArcGIS 10.0地統(tǒng)計模塊中3種不同的插值算法，采用最常用的普通克里金法（ordinary Kriging,OK）中的5種函數(shù)模型（球面函數(shù)模型、三角函數(shù)模型、指數(shù)函數(shù)模型、高斯函數(shù)模型及線性函數(shù)模型）、反距離加權(quán)法（inverse distance weighting,IDW）及樣條函數(shù)法（spline function method,SFM）進行插值分析[17-19]。

1.3.2 氣象要素線性趨勢分析

采用一元線性回歸方程分析氣象要素的線性變化趨勢[20]。表達式為：

式中：Yi為因變量，i=1，2，3，…，n（n為年份序號）；ti為時間；a0為常數(shù)；a1為傾向率。a1的最小二乘估計和相關(guān)系數(shù)r通過式（2）和式（3）求出。a1的正負(fù)號決定了氣象要素變化趨勢。相關(guān)系數(shù)r用來判定趨勢的顯著性，若顯著性水平超過α=0.05，則變化趨勢顯著。

1.3.3 空間插值誤差分析

誤差分析主要采用決定系數(shù)（R2）、線性相關(guān)（L）、平均相對誤差（mean bias error,MBE）、平均絕對誤差（mean absolute error,MAE）和均方根誤差（root mean square error,RMSE）作為評判標(biāo)準(zhǔn)[21-23]。其公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 空間插值模型評價

本文選用西藏及其周圍地區(qū)共52個氣象站點近45年平均逐日的日照時數(shù)數(shù)據(jù)來評價不同的空間插值模型的誤差。依次假設(shè)西藏每個站點的點位數(shù)據(jù)未知，對其余51個站點的數(shù)據(jù)用不同的插值模型推算出未知站點的模擬值，將模擬值與觀測值進行誤差分析，結(jié)果見表1?？梢缘贸觯浩胀死锝鸬那蛎婧瘮?shù)模型的預(yù)測值與實測值之間的R2值最大，為0.683；而規(guī)則樣條函數(shù)的R2值最小，為0.359。對于線性相關(guān)（L）而言，普通克里金（球面函數(shù)模型）＞普通克里金（高斯函數(shù)模型）＞普通克里金（指數(shù)函數(shù)模型）＞反距離加權(quán)法＞普通克里金（三角函數(shù)模型）＞普通克里金（線性函數(shù)模型）＞張力樣條函數(shù)和規(guī)則樣條函數(shù)。預(yù)測值與實測值之間的平均相對誤差值（MBE）除了反距離加權(quán)法以外都為負(fù)值，對于其絕對值而言，規(guī)則樣條函數(shù)＞普通克里金（高斯函數(shù)模型）＞普通克里金（球面函數(shù)模型）＞普通克里金（三角函數(shù)模型）＞普通克里金（線性函數(shù)模型）＞張力樣條函數(shù)＞普通克里金（指數(shù)函數(shù)模型）＞反距離加權(quán)法。對于平均絕對誤差（MAE）而言，規(guī)則樣條函數(shù)和張力樣條函數(shù)的值最大，其次是普通克里金（線性函數(shù)模型）和普通克里金（三角函數(shù)模型），而普通克里金（球面函數(shù)模型）的平均絕對誤差最小。此外，普通克里金（球面函數(shù)模型）的均方根誤差（RMSE）最小，而規(guī)則樣條函數(shù)的最大。綜上表明，不同的模型都有其優(yōu)點和缺點。為了找出最適合西藏日照時數(shù)的模型，將各個站點通過使用不同模型得出的數(shù)據(jù)誤差值和實測值列入同一坐標(biāo)軸中，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯ㄟ^規(guī)則樣條函數(shù)插值法所得出的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比誤差明顯較大，其次是張力樣條函數(shù)。表1也表明，規(guī)則樣條函數(shù)的平均誤差和均方根誤差都最大。結(jié)合表1和圖1可知，普通克里金（球面函數(shù)模型）的模擬效果最好。

表1 不同空間插值模型的誤差Table 1 Error of different spatial interpolation models

圖1 預(yù)測值與實測值的誤差Fig.1 Error of predicted and measured values

2.2 西藏日照時數(shù)的時空變化

2.2.1 日照時數(shù)的空間變化

運用普通克里金（球面函數(shù)模型）插值法，對近45年西藏及其周圍站點的年平均日照時數(shù)進行插值分析。結(jié)果表明，西藏日照時數(shù)的空間變化呈由東向西、由南向北逐漸增加的變化規(guī)律，其中，西藏東部地區(qū)日照時數(shù)的區(qū)域差別較大，而西藏西北部地區(qū)的日照時數(shù)差別較小。在喜馬拉雅高山區(qū)中察隅地區(qū)的累年日照時數(shù)最低，藏北高原區(qū)內(nèi)的獅泉河地區(qū)日照時數(shù)最高，這種空間分布特征與西藏的地形有密切關(guān)系。年日照時數(shù)主要受地形因素的影響，藏北高原區(qū)的年日照時數(shù)最高，為3 101.05 h。藏南山原湖盆谷地區(qū)的年日照時數(shù)為2 989.31 h，而喜馬拉雅高山區(qū)和藏東高山深谷區(qū)較低，年日照時數(shù)分別為2 333.10和2328.27h。波密的平均累年日照時數(shù)最低，為1482.6h；獅泉河的平均累年日照時數(shù)最高，為3 529.8 h。

2.2.2 日照時數(shù)的月平均變化

從圖2可以看出，西藏及其4個地區(qū)的日照時數(shù)月變化總體呈現(xiàn)雙峰型。藏北高原區(qū)的日照時數(shù)在1—5月和9—12月期間高于其他幾個地區(qū)，該地區(qū)日照時數(shù)在219～294 h之間，其中5月和8月的日照時數(shù)分別是該地區(qū)一年之中的最高值和最低值，分別為293.43和219.44 h；藏南山原湖盆谷地區(qū)的日照時數(shù)在5月中旬—9月中旬期間高于其他幾個地區(qū)，該地區(qū)的日照時數(shù)在219～288 h之間，其中2月和5月的日照時數(shù)分別是該地區(qū)一年之中的最低值和最高值，分別為219.03和287.25 h；喜馬拉雅高山區(qū)的日照時數(shù)在157～239 h之間，其中7月和12月分別是該地區(qū)一年之中的最低值和最高值，分別為157.41和238.5 h，且該地區(qū)7月的日照時數(shù)是4個地區(qū)中的全年最低值；藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)在171～213 h之間，其中7月和12月分別是該地區(qū)一年之中的最低值和最高值，分別為171.44和212.53 h。西藏總體的月平均日照時數(shù)在202～254 h之間，其中8月份最低（202 h），5月份最高（253.46 h）。

2.2.3 日照時數(shù)的季節(jié)平均變化

西藏及其4個地區(qū)日照時數(shù)的季節(jié)平均變化見圖3?？梢钥闯觯?個季節(jié)中藏南山原湖盆谷地區(qū)和藏北高原區(qū)的日照時數(shù)高于喜馬拉雅高山區(qū)和藏東高山深谷區(qū)。在春、夏和秋這3個季節(jié)中，藏北高原區(qū)的日照時數(shù)總體上最多，其次是藏南山原湖盆谷地區(qū)、喜馬拉雅高山區(qū)及藏東高山深谷區(qū)。

從圖3A中可以看出：春季藏北高原區(qū)的日照時數(shù)除了2003年，其他年份都高于藏南山原湖盆谷地區(qū)，藏北高原區(qū)的日照時數(shù)在776～922 h之間，最高值和最低值出現(xiàn)在2012和1981年，分別為921.58和776.13 h；該地區(qū)的變化率為每10年增加0.65 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.03。藏南山原湖盆谷地區(qū)的日照時數(shù)在708～851 h之間，最高值和最低值出現(xiàn)在2004和1997年，分別為850.83和708.27 h；該地區(qū)的變化率為每10年減少7.08 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.27。喜馬拉雅高山區(qū)的日照時數(shù)在571～676 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年減少7.65 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.41。藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)在549～671 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年減少0.80 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.03。

圖2 月均日照時數(shù)變化Fig.2 Variation of monthly sunshine duration

從圖3B中可以看出：夏季藏南山原湖盆谷地區(qū)和藏北高原區(qū)的日照時數(shù)總量相當(dāng)，喜馬拉雅高山區(qū)及藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)總量相當(dāng)。藏北高原區(qū)的日照時數(shù)在579～861 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年減少15.73 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.44。藏南山原湖盆谷地區(qū)的日照時數(shù)在651～851 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年減少6.42 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.14。喜馬拉雅高山區(qū)的日照時數(shù)在383～591 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年減少15.02 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.43。藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)在423～636 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年減少12.79 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.30。

從圖3C中可以看出：秋季藏南山原湖盆谷地區(qū)的日照時數(shù)在739～863 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年下降4.80 h，線性相關(guān)系數(shù)為－0.21；藏北高原區(qū)的日照時數(shù)在660～819 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加2.37 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.12；喜馬拉雅高山區(qū)的日照時數(shù)在530～655 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加2.08 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.11；藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)在525～654 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加2.54 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.12。

從圖3D中可以看出：冬季藏北高原區(qū)的日照時數(shù)在726～798 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加3.56 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.28；藏南山原湖盆谷地區(qū)的日照時數(shù)在654～735 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加2.73 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.18；喜馬拉雅高山區(qū)的日照時數(shù)在562～714 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加3.29 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.15；藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)在558～642 h之間，該地區(qū)的變化率為每10年增加5.29 h，線性相關(guān)系數(shù)為0.32。

圖3 四季日照時數(shù)變化Fig.3 Variation of seasonal sunshine duration

2.2.4 日照時數(shù)的年平均變化

西藏及其4個地區(qū)日照時數(shù)的年平均變化見圖4?？梢钥闯?，就年日照時數(shù)總量而言，藏北高原區(qū)＞藏南山原湖盆谷地區(qū)＞喜馬拉雅高山區(qū)＞藏東高山深谷區(qū)，其中：藏北高原區(qū)的日照時數(shù)除了1978年和1987年，其他年份都高于藏南山原湖盆谷地區(qū)，其日照時數(shù)在2 954～3 262 h之間，且2012年的日照時數(shù)最多，為3 261.88 h，2008年的日照時數(shù)最少，為2 954.59 h；藏南山原湖盆谷地區(qū)的年日照時數(shù)在2 859～3 138 h之間，2014年的日照時數(shù)最少，為2 859.54 h，1987年的日照時數(shù)最多，為3 137.32 h；喜馬拉雅高山區(qū)和藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)相對較少，其中，喜馬拉雅高山區(qū)的日照時數(shù)在2 171～2 489 h之間，藏東高山深谷區(qū)的日照時數(shù)在2 204～2 480 h之間。

由表2可知，4個地區(qū)的日照時數(shù)除了藏東高山深谷區(qū)呈上升趨勢以外，其他的3個地區(qū)都呈下降趨勢。藏南山原湖盆谷地區(qū)的日照時數(shù)下降變化率最大，其變化率為每10年減少21.74 h；其次變化率較大的為喜馬拉雅高山區(qū)，其變化率為每10年減少16.99 h；藏北高原區(qū)的變化率為每10年減少10.05 h。西藏總體的日照時數(shù)呈下降趨勢，變化率為每10年減少20.15 h。

1971—2015年西藏的年平均日照時數(shù)為2 727.64 h。其中：1971—1974年每年的日照時數(shù)都大于年平均值，從1972年開始連續(xù)3年的日照時數(shù)逐漸下降，并降至45年平均日照時數(shù)值以下；1978—1984年每年的年日照時數(shù)都大于45年的平均值；1985年急劇減少；1986—1988年每年的日照時數(shù)都大于平均值，但總體呈下降趨勢；1989—2005年，除1994年以外其他年份的日照時數(shù)都低于平均值；2006—2015年，除2008、2013和2014年以外其他年份的日照時數(shù)都高于平均值。從總體來看，西藏的日照時數(shù)呈減少趨勢。

圖4 年日照時數(shù)變化Fig.4 Variation of annual sunshine duration

表2 日照時數(shù)的長期變化Table 2 Long term variation of sunshine duration

2.3 影響因素分析

日照時數(shù)變化受諸多氣象因素的影響[9，24]。因受到數(shù)據(jù)的限制，本文主要分析了氣壓、水汽壓、降水量和風(fēng)速對西藏日照時數(shù)的影響，相關(guān)性結(jié)果見表3?？梢钥闯?，在這4種影響因素中，除了風(fēng)速以外，其他3種因素均通過了顯著性檢驗（α=0.05）。其中：降水量對日照時數(shù)的影響最大，相關(guān)系數(shù)為－0.764，兩者呈負(fù)相關(guān)，日照時數(shù)隨著降水量的增多（或減少）而減少（或增多）；水汽壓和氣壓與日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為－0.674和－0.574，相關(guān)系數(shù)相對較高；風(fēng)速與日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)為－0.178，未通過顯著性檢驗，說明風(fēng)速對日照時數(shù)的變化基本無影響。

圖5為氣壓、水汽壓、降水量和風(fēng)速的變化率。從中可知，4種氣象因素都呈上升趨勢，結(jié)合表3可得降水量的變化率最大，其值為每10年增加46.50 mm。水汽壓的變化率為每10年增加6.13 hPa，且日照時數(shù)與降水量和水汽壓有很好的對應(yīng)關(guān)系。氣壓和風(fēng)速的變化率分別為每10年增加0.69 kPa和0.02 m/s。圖5C反映了降水量多的年份日照時數(shù)就少，相反，降水量少的年份日照時數(shù)就多，兩者呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)，說明降水量是影響日照時數(shù)的因素之一，且影響較大。圖5A和5B反映了氣壓和水汽壓對日照時數(shù)的影響，總體上兩者都呈現(xiàn)日照時數(shù)多的年份氣壓和水汽壓較少，結(jié)合表3可知兩者與日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)也較高，說明氣壓和水汽壓也是影響日照時數(shù)的因素之一。

表3 日照時數(shù)與氣象因素的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between sunshine duration and meteorological factors

3 結(jié)論

分析表明，不同模型的插值結(jié)果與實測值均通過了誤差檢驗，其中普通克里金（球面函數(shù)模型）能夠最好地模擬西藏各個氣象站點的日照時數(shù)。用此模型對西藏日照時數(shù)插值進行分析，得到西藏日照時數(shù)西高東低的空間分布特征，這一特征主要受西藏地形的影響。

圖5 日照時數(shù)與氣象因素的變化趨勢Fig.5 Variation trend between sunshine duration and meteorological factors

西藏4個地區(qū)近45年平均日照時數(shù)的月變化呈雙峰型，藏南山原湖盆谷地區(qū)2月份日照時數(shù)最低，其他地區(qū)7、8月份的日照時數(shù)最低，4個地區(qū)在5月份的日照時數(shù)最高。藏北高原區(qū)春、夏、冬3季的日照時數(shù)明顯高于其他地區(qū)，且該地區(qū)春季和冬季都呈上升趨勢。藏南山原湖盆谷地區(qū)、喜馬拉雅高山區(qū)和藏東高山區(qū)的日照時數(shù)在春季和夏季都呈下降趨勢，在秋季和冬季都呈上升趨勢。

4個地區(qū)的年日照時數(shù)總量以藏北高原區(qū)的最多，藏東高山區(qū)的最少。藏東高山區(qū)的年日照時數(shù)呈上升趨勢，其他3個地區(qū)的年日照時數(shù)呈下降趨勢，藏南山原湖盆谷地區(qū)的下降率最明顯；西藏總體的年日照時數(shù)呈下降趨勢，1986年日照時數(shù)最高。

對西藏日照時數(shù)的變化特征及其影響因素的研究表明，降水量對日照時數(shù)的影響最大，水汽壓和氣壓對日照時數(shù)的影響次之。根據(jù)現(xiàn)有研究可知，氣溶膠對日照時數(shù)也有較大的影響[25]，但由于受到研究數(shù)據(jù)的局限，本文只考慮了氣象因素對日照時數(shù)的影響。在今后的研究中，需要進一步考慮如氣溶膠、云量和大氣能見度等其他因素對日照時數(shù)的影響。

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