福建省近60年日照時(shí)數(shù)時(shí)空變化特征及未來(lái)趨勢(shì)分析

孫曉航, 丘永杭, 黃奇曉, 陳曉瑜, 林玉蕊

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州，350002；2.生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3.福建省資源環(huán)境空間信息統(tǒng)計(jì)研究中心，福建 福州，350002)

氣候變化對(duì)全球自然生態(tài)系統(tǒng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系具有深遠(yuǎn)的影響，是當(dāng)今世界各國(guó)廣泛關(guān)注與研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.研究表明，全球正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的氣候變化，平均地表溫度一直在增高，近50 年來(lái)平均地表氣溫增幅約為1.1 ℃，增溫速率約為每10年0.22 ℃[1].氣候變化會(huì)引起大氣結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響到太陽(yáng)對(duì)地表的輻射，因此探討氣候變化對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響具有重要意義.近年來(lái)，已有不少針對(duì)全國(guó)各地日照時(shí)數(shù)時(shí)空變化特征的研究.吳桂明等[2]通過(guò)對(duì)廣東省86個(gè)氣象站1965—2015年逐月日照時(shí)數(shù)序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其年、四季的日照時(shí)數(shù)均呈下降趨勢(shì)；曾欽文等[3]對(duì)東江中上游8個(gè)站1965—2015年日照資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明東江中上游日照時(shí)數(shù)呈極顯著減少的趨勢(shì)；何彬方等[4]對(duì)安徽省80個(gè)站1955—2005年逐日日照資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)安徽省年日照時(shí)數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì)，且日照時(shí)數(shù)大致呈緯向分布；曹慶鋒[5]利用圖里河地區(qū)1961—2010年日照時(shí)數(shù)資料，分析各月份、季節(jié)及各年日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示50 年來(lái)日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)式減少趨勢(shì).還有學(xué)者對(duì)黃河流域、西藏地區(qū)、祁連山地區(qū)、西安市、天津市等地日照時(shí)數(shù)變化進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)整體呈減少的趨勢(shì)[6-11].

福建省位于我國(guó)東南部，屬于山地丘陵地勢(shì)，境內(nèi)山地丘陵占全省土地面積的80%以上[3,12]，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，森林覆蓋率65.95%，位居全國(guó)首位.目前對(duì)福建省日照時(shí)數(shù)的研究較少[13].鑒于此，本文運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)診斷分析方法，從時(shí)間與空間層面上對(duì)福建省日照時(shí)數(shù)的變化特征及未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行分析，旨在為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理布局及調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)提供參考.

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn)的地面氣象資料.選用福建省22個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣象站1961—2018年逐日日照時(shí)數(shù)資料，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季，生成逐季序列.該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢測(cè)和控制，達(dá)到所需要的精度.本文采用均值替換法對(duì)缺失值進(jìn)行插補(bǔ).福建省22個(gè)氣象站點(diǎn)空間位置見(jiàn)圖1.

1.2 方法

1.2.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn) 通過(guò)檢驗(yàn)兩組樣本均值差異是否顯著來(lái)判斷突變的發(fā)生[14-16].將年日照時(shí)數(shù)分成兩個(gè)樣本子集，設(shè)置某一時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，兩個(gè)子序列遵循自由度v=n1+n2-2的t分布.若t統(tǒng)計(jì)量超過(guò)顯著性水平α，可認(rèn)為均值差異顯著，發(fā)生突變.由于子序列長(zhǎng)度的選擇具有人為性，為避免子序列長(zhǎng)度的任意選擇引起突變點(diǎn)移位，重復(fù)改變子序列長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算和比較，以提高計(jì)算結(jié)果的可靠性.

1.2.2 重標(biāo)極差(R/S)分析 基于R/S分析法的Hurst指數(shù)是定量描述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法[17-18].其基本原理為：

(1)給定一個(gè)長(zhǎng)度為N的時(shí)間序列xi，將此序列均分為L(zhǎng)個(gè)長(zhǎng)度為n的相鄰子區(qū)間，則L×n=N.任一子區(qū)間表示為Iα，α=1,2,…,L.在Iα中的元素表示為N(k,m)，k=1,2,…,n;m=1,2,…,L.Iα的均值為：

(1)

(2)Iα對(duì)于均值的累積截距定義為：

(2)

(3)極差定義為：

RIα=max(Xk,α)-min(Xk,α)

(3)

(4)子區(qū)間Iα的標(biāo)準(zhǔn)差為：

(4)

(5)每一個(gè)RIα均由對(duì)應(yīng)的SIα標(biāo)準(zhǔn)化后得到，則R/S定義為：

(5)

(6)n從3開(kāi)始，重復(fù)(1)～(5)步，直到n=N，得到序列(R/S)n，n=3,…,N.以logn為自變量，以log(R/S)為因變量進(jìn)行線性回歸：

log(R/S)=logc+H×logn+ε

(6)

計(jì)算得到的方程中的斜率H即為Hurst估計(jì)值.Hurst指數(shù)為0～1，若H=0.5，表明時(shí)間序列的氣候變化具有隨機(jī)性，現(xiàn)在的氣候信息對(duì)未來(lái)不會(huì)產(chǎn)生影響；若H≠0.5，則過(guò)去變化趨勢(shì)對(duì)未來(lái)產(chǎn)生影響； 當(dāng)H>0.5時(shí)，日照時(shí)數(shù)序列的未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去一致，且H越接近1，趨勢(shì)持續(xù)性越強(qiáng)；當(dāng)H<0.5時(shí)，日照時(shí)數(shù)序列的未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，且H越接近0，相反趨勢(shì)的持續(xù)性越強(qiáng).通過(guò)R/S分析計(jì)算的Hurst指數(shù)可揭示時(shí)間序列中的趨勢(shì)成分，但是該趨勢(shì)的持續(xù)性仍然未知.大多數(shù)現(xiàn)實(shí)和復(fù)雜系統(tǒng)的自相似行為都是有界的，且在一定時(shí)間范圍內(nèi)，系統(tǒng)表現(xiàn)出無(wú)關(guān)的隨機(jī)行為.可使用統(tǒng)計(jì)信息來(lái)確定序列是否具有非周期性，且可確定平均周期長(zhǎng)度，即過(guò)去趨勢(shì)對(duì)未來(lái)產(chǎn)生影響的時(shí)間長(zhǎng)度.統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式為：

(7)

在Vn～lnn曲線上，當(dāng)出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折時(shí)，過(guò)去趨勢(shì)對(duì)未來(lái)變化的影響消失，該轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度n為該時(shí)間序列的平均循環(huán)長(zhǎng)度.

1.2.3 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分析 是氣象要素研究中常用的一種時(shí)空特征分析方法，它保留了原始數(shù)據(jù)的大部分信息，將原始的多變量信息通過(guò)幾個(gè)典型的特征向量表現(xiàn)出來(lái)[19-20].福建省22個(gè)氣象站點(diǎn)58 年日照時(shí)數(shù)的觀測(cè)資料用矩陣形式Xm×n(m=1,2，…，22；n=1,2，…，58)表示，對(duì)矩陣Xm×n進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到新的矩陣Nm×n，利用EOF分析方法將Nm×n分解為：

Nm×n=Vm×pTp×n

(8)

式中，Vm×p為空間特征向量，Tp×n為時(shí)間系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 日照時(shí)數(shù)的變化特征

將22個(gè)氣象站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)的多年平均值作為福建省全區(qū)范圍內(nèi)具有代表性的日照時(shí)數(shù)，即全區(qū)平均日照時(shí)數(shù).從年際變化、累積距平變化、年代際變化、季節(jié)變化及日照突變點(diǎn)5個(gè)角度，對(duì)其變化特征進(jìn)行分析.

2.1.1 年際變化及累積距平變化 從圖2可看出1961—2018年全區(qū)平均日照時(shí)數(shù)的年際變化、線性趨勢(shì)及逐年累積距平.福建省平均日照時(shí)數(shù)為1 739 h(圖2)，彭云峰等[13]研究表明福建省日照時(shí)數(shù)為1 733 h，兩者結(jié)論相近.從年際變化曲線可以看出，全區(qū)平均日照時(shí)數(shù)為1 332～2 084 h，具有明顯的波動(dòng)性，多個(gè)“偏高期”與“偏低期”交替出現(xiàn)，最大值出現(xiàn)在1963年(2 084 h)，最小值出現(xiàn)在2015年(1 332 h).全區(qū)日照時(shí)數(shù)整體表現(xiàn)為顯著的下降趨勢(shì)，平均日照時(shí)數(shù)每10年減少62.28 h.日照時(shí)數(shù)與時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為-0.58，通過(guò)顯著性檢驗(yàn).從累積距平曲線可以看出，全區(qū)日照時(shí)數(shù)曲線具有明顯的上升階段和下降階段，1971年和1986年為轉(zhuǎn)折點(diǎn).根據(jù)這2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以將全區(qū)日照時(shí)數(shù)分為3個(gè)特征明顯的階段，1961—1971年累積距平曲線呈上升趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)除1970年(1 729 h)之外，均高于多年的平均水平，為日照時(shí)數(shù)偏高階段；1971—1986年累積距平曲線沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，呈平穩(wěn)的波動(dòng)狀態(tài)；1986年之后累積距平曲線呈下降趨勢(shì)，大多數(shù)年份日照時(shí)數(shù)低于多年的平均水平，為日照時(shí)數(shù)偏低階段.

2.1.2 季節(jié)變化及年代際變化 從表1可知，全區(qū)一年四季中，夏季平均日照時(shí)數(shù)最大(585 h)，其次為秋季(478 h)和冬季(338 h)，春季最小(337 h)；四季與年平均日照時(shí)數(shù)最大值均出現(xiàn)在20世紀(jì)60—70年代；20世紀(jì)60—80年代日照時(shí)數(shù)年平均值均大于全區(qū)平均值，為日照相對(duì)充足的年代；其余年代日照時(shí)數(shù)年平均值均小于全區(qū)平均值，為日照相對(duì)不足年代.

表1 全區(qū)不同季節(jié)平均日照時(shí)數(shù)的年代際變化

2.1.3 突變點(diǎn)檢驗(yàn) 基于全區(qū)1961—2018年日照時(shí)數(shù)序列計(jì)算t統(tǒng)計(jì)量，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).計(jì)算過(guò)程中通過(guò)不斷變動(dòng)子序列長(zhǎng)度來(lái)提高計(jì)算結(jié)果的可靠性.檢測(cè)結(jié)果一致的日照時(shí)數(shù)在1971年前后發(fā)生過(guò)一次顯著性突變，該年t統(tǒng)計(jì)量通過(guò)顯著性檢驗(yàn).

從圖3可知，取α=0.01，當(dāng)n1=n2=10時(shí)，滑動(dòng)t-檢驗(yàn)曲線峰值出現(xiàn)在1971年，t0=3.454，遠(yuǎn)大于tα(=2.878)，表明時(shí)間序列中存在明顯的突變現(xiàn)象.1971年之前日照時(shí)數(shù)呈明顯的上升趨勢(shì)，為多日照氣候階段；滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量在1986年為第二峰值點(diǎn)，t0=2.353，未通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，但可達(dá)到α=0.05的顯著性水平，表明時(shí)間序列存在突變現(xiàn)象.1986年之后日照時(shí)數(shù)呈明顯的下降趨勢(shì)，為少日照氣候階段.

2.2 未來(lái)趨勢(shì)分析

應(yīng)用R/S法測(cè)定1961—2018年福建省日照時(shí)數(shù)序列的季節(jié)和年際未來(lái)變化趨勢(shì)，結(jié)果如表2所示.福建省四季和年際的日照時(shí)數(shù)序列的Hurst指數(shù)均大于0.5，表明過(guò)去變化趨勢(shì)對(duì)未來(lái)產(chǎn)生影響，且變化趨勢(shì)相一致，即未來(lái)四季和年均的日照時(shí)數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)呈下降趨勢(shì)；相關(guān)系數(shù)R2接近1，呈極顯著的變化趨勢(shì).Hurst指數(shù)以年際值最高，表明年際日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)的持續(xù)性最強(qiáng)；冬季Hurst指數(shù)最小，表明日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)的持續(xù)性最弱.

表2 1961—2018年福建省日照時(shí)數(shù)季節(jié)和年際的Hurst指數(shù)

圖4給出了福建省季節(jié)和年際的日照時(shí)數(shù)V-lnn變化曲線.日照的四季和年際曲線均向上傾斜，表明時(shí)序序列未來(lái)變化趨勢(shì)均與過(guò)去一致，這與Hurst指數(shù)的結(jié)果相同.曲線越向上傾斜，序列變化趨勢(shì)持續(xù)性越強(qiáng).年際日照時(shí)數(shù)序列向上傾斜度最大，其持續(xù)性最強(qiáng)；冬季日照時(shí)數(shù)序列向上傾斜度最小，持續(xù)性也最弱，這也與Hurst指數(shù)的結(jié)果相一致.從圖4可看出，第一個(gè)拐點(diǎn)在lnn=1.79處，對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度為n=e1.79≈6，即日照時(shí)數(shù)序列的平均循環(huán)長(zhǎng)度為6 年.同理可得夏季、秋季、冬季與年際日照時(shí)數(shù)序列的平均循環(huán)長(zhǎng)度分別為7、4、6、8 年.說(shuō)明年際日照時(shí)數(shù)序列的持續(xù)性最長(zhǎng)，過(guò)去狀態(tài)對(duì)未來(lái)狀態(tài)的影響時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8 年；秋季日照時(shí)數(shù)序列的持續(xù)性最短，日照時(shí)數(shù)時(shí)間序列在4 年之后失去持續(xù)性，表明過(guò)去變化趨勢(shì)不再對(duì)未來(lái)趨勢(shì)產(chǎn)生影響.

2.3 空間特征分布

從表3可知：第一特征向量的方差貢獻(xiàn)最大，占82%；第二特征向量的方差貢獻(xiàn)迅速減少，只占總體方差的4%；后面幾個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì).前2個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到86%，且特征與誤差上下限不重疊，結(jié)果穩(wěn)定可靠.因此取前2個(gè)特征向量進(jìn)行重點(diǎn)分析.

表3 福建省年均日照時(shí)數(shù)EOF分解的前5個(gè)特征向量

從圖5可以看出，第一特征向量為一致的正值分布，表明福建省日照時(shí)數(shù)空間變化具有整體性，容易出現(xiàn)一致偏多或一致偏少.最大正值中心位于長(zhǎng)汀地區(qū).第一特征向量的方差貢獻(xiàn)占總體方差的82%，說(shuō)明日照時(shí)數(shù)一致偏多或一致偏少是福建省的主要分布類(lèi)型.時(shí)間系數(shù)曲線向下傾斜，表明福建日照時(shí)數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；日照時(shí)數(shù)從一致偏多轉(zhuǎn)向一致偏少，最大正值出現(xiàn)在1963年，表明該年福建省日照時(shí)數(shù)一致偏多；最大負(fù)值出現(xiàn)在2015年，表明該年福建省日照時(shí)數(shù)一致偏少，該結(jié)果也與福建省日照時(shí)數(shù)的年際變化結(jié)果相一致.

從圖6可以看出，第二特征向量為西南東北型分布，大致呈西南多(少)、東北少(多)的特點(diǎn)；以邵武、尤溪、福州為界，呈西南為正、東北為負(fù)的分布形式；最大正值出現(xiàn)在浦城地區(qū)，最大負(fù)值出現(xiàn)在龍巖地區(qū).第二特征向量的方差貢獻(xiàn)占總體方差的4%，表明福建省日照時(shí)數(shù)屬于第二種分布型，時(shí)間系數(shù)曲線向上傾斜，日照時(shí)數(shù)整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì).1987年前日照時(shí)數(shù)西南多，東北少；1987年之后日照時(shí)數(shù)西南少，東北多.最大正值出現(xiàn)在2003年，該年日照時(shí)數(shù)東北偏多，西南偏少；最大負(fù)值出現(xiàn)在2015年，該年日照時(shí)數(shù)東北偏少，西南偏多.

3 小結(jié)

本研究結(jié)果表明：(1)福建省平均日照時(shí)數(shù)為1 739 h，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 332～2 084 h；日照時(shí)數(shù)下降速率為每10年62.28 h，呈顯著下降趨勢(shì).(2)福建省日照時(shí)數(shù)在近60 年內(nèi)主要存在兩次突變，第一次突變出現(xiàn)在1971年；第二次突變出現(xiàn)在1986年.(3)福建省日照時(shí)數(shù)四季和年際的Hurst指數(shù)均大于0.5，日照時(shí)間序列具有長(zhǎng)期相關(guān)的持續(xù)性，過(guò)去的變化趨勢(shì)能夠?qū)ξ磥?lái)變化產(chǎn)生持續(xù)影響.未來(lái)四季和年均的日照時(shí)數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)呈下降趨勢(shì).(4)福建省日照時(shí)數(shù)空間分布主要有兩種，即“一致型”和“東北—西南型”.其中“一致型”空間分布占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為日照時(shí)數(shù)從一致偏多向一致偏少演變.