基于Anusplin插值的廣東省近50年日照時(shí)數(shù)時(shí)空特征

嚴(yán)敏聰，潘志豪，沈碧輝，翁佳烽

（1.四會(huì)市氣象局，廣東四會(huì)526200；2.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060）

日照時(shí)數(shù)是最重要的氣象要素之一，但是在20世紀(jì)改革開放以來，工業(yè)發(fā)展壯大，城市飛速發(fā)展，大氣污染日益嚴(yán)重的背景下，云凝結(jié)核增加，云量增多，太陽輻射減少［1-2］，使得我國的平均日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)的變化成為了當(dāng)下國內(nèi)眾多學(xué)者的研究對(duì)象，黃珍珠等［3］分析了1960—2008年廣東省不同區(qū)域的日照時(shí)數(shù)變化特征；吳桂明等［4］研究了1965—2015年廣東省日照時(shí)數(shù)時(shí)空變化特征；曾欽文等［5］分析了東江中上游流域日照變化特征及其影響因素，得出的結(jié)論均與全國日照變化總趨勢(shì)一致［6］?？臻g插值方法上，以往研究多用克里金（Kriging）、反距離加權(quán)（IDW）等進(jìn)行插值，而有研究得出從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度Anusplin插值總體精度水平優(yōu)于反距離加權(quán)插值法和克里格插值法［7］；時(shí)序分析方法上，許多研究用線性回歸、Mann—Kendall突變檢驗(yàn)、Yamamoto檢驗(yàn)等方法分析時(shí)間變化趨勢(shì)，這些方法局限在于不能刻畫演變過程中的多尺度特性，而小波分析方法在數(shù)字信號(hào)的分解和重構(gòu)有著很好的效果［8］。

為了更好地了解廣東省近50年來日照時(shí)數(shù)的周期變化以及空間分布情況，本研究主要使用Anusplin插值以及Morlet小波來分析1971—2020年廣東省日照時(shí)數(shù)的時(shí)空變化特征，研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)該地區(qū)的氣候背景狀況和氣候資源的變化，為旅游規(guī)劃、城市合理布局以及資源有效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣東省位于中國大陸的最南端，全省地勢(shì)大體北高南低，但境內(nèi)山川縱橫交錯(cuò)，在北部、東北部和西部都有較高山脈，地形變化復(fù)雜，中部和南部沿海地區(qū)多為低丘或平原［9］。廣東省大部分處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，日照時(shí)間長，全省日照時(shí)數(shù)由北向南遞增，年平均日照時(shí)數(shù)由不足1 100 h增加到將近2 200 h，常年年平均日照時(shí)數(shù)1 747.4 h，四季分布不均，夏秋季明顯大于冬春季。

本研究選用的是廣東省全省86個(gè)國家級(jí)氣象站1971—2020年歷年來的年平均與季平均日照時(shí)數(shù)氣象資料為原始數(shù)據(jù)，其中剔除4個(gè)不連續(xù)、冗余及錯(cuò)誤的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，余下的站點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均；另外選取12個(gè)分布均勻、海拔高程不一的站點(diǎn)作為驗(yàn)證站點(diǎn)，最后剩余的70個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行插值處理。同時(shí)根據(jù)廣東省特有的氣候特征將1年12個(gè)月進(jìn)行了四季劃分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月—次年2月）。

1.2 研究方法

1）Anusplin插值。

日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)是每個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究使用Anusplin插值軟件進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的插值，Anusplin插值是基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)插值理論實(shí)現(xiàn)的，除了樣條自變量外，還可以引入?yún)f(xié)變量，如海拔、海岸線距離等［10］。局部薄盤光滑樣條的理論模型公式為

其中，Zi為位于空間i點(diǎn)的因變量；f（xi）為要估算關(guān)于xi的未知光滑函數(shù)；xi是獨(dú)立變量；yi為獨(dú)立協(xié)變量；b為獨(dú)立協(xié)變量的系數(shù)；ei為隨機(jī)誤差。

該次分析對(duì)廣東省70個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)使用Anusplin插值軟件以海拔作為協(xié)變量進(jìn)行插值處理，使用3變量局部薄盤光滑樣條函數(shù)（經(jīng)度和緯度為自變量，海拔高度為協(xié)變量），樣條次數(shù)設(shè)置為3，得到1971—2020年50年年平均日照時(shí)數(shù)以及四季平均日照時(shí)數(shù)的空間分布，柵格分辨率為500 m×500 m。

2）Morlet小波分析。

小波分析作為氣象研究中常用的時(shí)頻分析工具，利用小波變換尺度伸縮、空間平移的功能了解序列在各層次的變化趨勢(shì)，能夠直觀的展示隱含在氣象要素中的各類隨時(shí)間周期波動(dòng)的周期震蕩［11］，利用Morlet函數(shù)繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，可表現(xiàn)出日照時(shí)數(shù)序列的周期變化特征，具體問題見文獻(xiàn)［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 柵格空間

由圖1可知，廣東省各地50年的多年年平均日照時(shí)數(shù)范圍在1 052.3～2 185.9 h，全省平均日照時(shí)數(shù)為1 713.8 h，空間分布總體呈現(xiàn)南多北少、東西多中間少的分布，其中湛江與最東南的潮汕低緯度低海拔地區(qū)日照時(shí)數(shù)最多，而韶關(guān)以及清遠(yuǎn)的“三連”（連山、連南、連州）地區(qū)高緯度高海拔地區(qū)日照時(shí)數(shù)最少。

圖1 廣東省1971—2020年的年、季均日照時(shí)數(shù)柵格空間分布

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析（圖1）柵格像元數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，年日照時(shí)數(shù)＜1 400 h的像元數(shù)占總像元數(shù)3.68%，主要位于韶關(guān)樂昌、翁源的東北部以及清遠(yuǎn)的“三連”地區(qū)的北部；≥1 400 h同時(shí)＜1 600 h的像元數(shù)占總像元數(shù)15.84%，主要位于清遠(yuǎn)以及韶關(guān)、云浮、肇慶的高海拔山區(qū)等地區(qū)；≥1 600 h同時(shí)＜1 800 h的像元數(shù)占總像元數(shù)比重最大，達(dá)53.56%，在珠三角、粵東以及粵西都占據(jù)大部；≥1 800 h同時(shí)＜2 000 h的像元數(shù)占總像元數(shù)23.23%，主要位于茂名、湛江、深圳和惠州等地區(qū)；≥2 000 h的像元數(shù)占總像元數(shù)3.69%，主要位于湛江徐聞、潮汕地區(qū)的東部沿海。全省四季平均日照時(shí)數(shù)多寡依次為：夏（564.45 h）＞秋（536.12 h）＞冬（357.61 h）＞春（300.13 h）。冬春季整體呈現(xiàn)較為平滑的空間分布變化，春季全省西北向的大部均為相對(duì)低值區(qū)，冬季反之，全省東南向的大部均為相對(duì)高值區(qū)；夏季受海拔高程影響最明顯，海拔高的地區(qū)日照時(shí)數(shù)反而少，秋季次之。

該基于Anusplin插值的柵格數(shù)據(jù)能更全面地反映廣東省多年日照時(shí)數(shù)的空間分布，但其插值精度誤差仍需再作進(jìn)一步檢驗(yàn)。

為驗(yàn)證Anusplin的插值準(zhǔn)確度，進(jìn)一步選取氣象學(xué)常用的兩種插值方法——克里金（Kriging）插值法和反距離加權(quán)法（IDW）進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如圖2所示，再分別對(duì)3種插值結(jié)果的12個(gè)檢驗(yàn)站點(diǎn)實(shí)測(cè)值和插值進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，通過根均方差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)估插值效果，如表1所示，指標(biāo)值越小，說明插值方法準(zhǔn)確度越高［13］。RMSE和MAE表達(dá)式如下：

表1 近50年年均、季均日照時(shí)數(shù)3種插值結(jié)果的驗(yàn)證站點(diǎn)實(shí)測(cè)值和插值誤差檢驗(yàn) h

圖2 近50年年均日照時(shí)數(shù)Anusplin（a）、Kriging（b）、IDW（c）插值方法結(jié)果對(duì)比

其中，Z0i和Zi分別是第i個(gè)站點(diǎn)的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值；n為參與檢驗(yàn)站點(diǎn)數(shù)。

由表1可知，Anusplin插值中誤差指標(biāo)除了秋季的MAE值比其余兩種插值稍高之外，其余的所有誤差指標(biāo)值均最小，因此Anusplin插值的精度最優(yōu)，IDW插值次之，Kriging插值法精度最低。Anusplin方法在空間分布上更準(zhǔn)確地突出小范圍區(qū)域內(nèi)日照時(shí)數(shù)的差異，更精細(xì)顯示廣東省日照時(shí)數(shù)的分布狀況，而IDW插值法的插值結(jié)果出現(xiàn)了“牛眼”，Kriging插值法的插值結(jié)果則過于平滑。Anusplin插值法結(jié)果更能準(zhǔn)確體現(xiàn)實(shí)際日照時(shí)數(shù)空間分布。

2.2 時(shí)間尺度

由圖3中5年滑動(dòng)平均線可以看出，在總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的同時(shí)，部分時(shí)段呈上升波動(dòng)，說明日照時(shí)數(shù)在減少的同時(shí)，呈現(xiàn)一定的周期。

圖3 1971—2020年廣東省年均日照時(shí)數(shù)趨勢(shì)線

由圖4可以看出，日照時(shí)數(shù)在多個(gè)時(shí)間尺度的周期變化特征，其中比較明顯的是5～15、18～24、28～34、38～44、52～58年左右的周期。在52～58年的長周期變化尺度中，日照時(shí)數(shù)經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期的交替變化，偏多出現(xiàn)在1977、2014年附近，偏少出現(xiàn)在1995年附近；38～44年的長周期變化尺度中，經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期的交替變化，偏多出現(xiàn)在1971、2000年附近，偏少出現(xiàn)在1985、2012年附近。而在中短時(shí)間的周期范圍內(nèi)，28～34年經(jīng)歷了6個(gè)時(shí)期的交替變化，偏多出現(xiàn)在1978、2000、2019年附近，偏少出現(xiàn)在1971、1989、2009年附近，以上3個(gè)時(shí)間尺度的周期變化貫穿整個(gè)分析時(shí)段，表現(xiàn)的全域性特征。18～24年經(jīng)歷了7個(gè)時(shí)期的交替變化，偏多出現(xiàn)在1975、1989、2003、2017年附近，偏少出現(xiàn)在1983、1996、2010年附近。5～15年從1997～2015年之間趨于明顯，其余時(shí)間變化周期不顯著。

圖4 年均日照時(shí)數(shù)Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部

綜合分析可以看出，20年時(shí)間變化尺度上顯示廣東省處于年日照時(shí)數(shù)偏少時(shí)期的開始，30年尺度上未閉合的仍處于偏多時(shí)期，42年長周期年尺度上偏少時(shí)期即將結(jié)束，57年長周期尺度上偏多時(shí)期仍未閉合。由此可推出，未來幾年在20年及以下的中小尺度上廣東省年日照時(shí)數(shù)開始轉(zhuǎn)為偏少時(shí)期，而在30年以上的大尺度上則處于偏多時(shí)期。

由圖5可知，該圖的4個(gè)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期尺度分別是21、30、42和57年，且42年左右的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的方差極值最顯著，其次為57年。

圖5 年均日照時(shí)數(shù)Morlet小波變換方差

綜上所述，廣東省年均日照時(shí)數(shù)存在21、30、42和57年左右的主周期，其中42年左右為第1主周期，57年左右為第2主周期。

根據(jù)70個(gè)插值站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)的歷年平均以及四季平均數(shù)據(jù)，利用一元線性回歸方法得出每個(gè)站點(diǎn)的變化傾向率，在根據(jù)其傾向率數(shù)據(jù)進(jìn)行Anusplin的插值得出1971—2020年廣東省年均日照時(shí)數(shù)的變化傾向率的空間分布（圖6）?？芍?971—2020年廣東省年均日照時(shí)數(shù)傾向率在-9.69～3.32 h/年范圍，除粵西西南部、粵東東南沿海以及粵北少部分地區(qū)日照時(shí)數(shù)呈增長趨勢(shì)外，其余全省大都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，中部減少顯著，高海拔地區(qū)最為明顯。另外，春、夏、秋、冬4季變化傾向率在-2.22～2.36、-3.76～1.62、-2.12～0.42和-1.80～0.53 h/年，增長和減少趨勢(shì)范圍與年傾向率的分布范圍大致相同。

圖6 1971—2020年廣東省年均日照時(shí)數(shù)變化傾向率的（單位：h/年）空間分布

3 結(jié)論

1）近50年來，廣東省平均年日照時(shí)數(shù)的變化范圍為1 052.3～2 185.9 h，空間分布總體呈現(xiàn)南多北少、東西多中間少的分布規(guī)律。日照時(shí)數(shù)在1 600～1 800 h范圍內(nèi)的區(qū)域占全省區(qū)域總面積的50%多。全省四季平均日照時(shí)數(shù)依次為：夏（564.45 h）＞秋（536.12 h）＞冬（357.61 h）＞春（300.13 h）。冬春季整體呈現(xiàn)較為平滑的空間分布變化；夏季受海拔高程影響最為明顯，海拔高的地區(qū)日照時(shí)數(shù)反而較少，秋季次之。

2）Anusplin插值法驗(yàn)證結(jié)果在3種插值方法中精度最優(yōu)，IDW插值次之，Kriging插值法精度最低，Anusplin插值更能準(zhǔn)確體現(xiàn)實(shí)際日照時(shí)數(shù)空間分布。

3）1971—2020年廣東省年均日照時(shí)數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，除粵西西南部、粵東東南沿海以及粵北少部分地區(qū)日照時(shí)數(shù)呈增長趨勢(shì)外，其余全省大都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中中部減少顯著，高海拔地區(qū)最為明顯，四季增長和減少趨勢(shì)范圍與年傾向率的分布范圍大致相同。日照時(shí)數(shù)的變化周期主要是5～15、18～24、28～34、38～44、52～58年。未來20年時(shí)間變化尺度上廣東省轉(zhuǎn)為年日照時(shí)數(shù)偏少時(shí)期的開始，30年尺度上未閉合的仍處于偏多時(shí)期，42年長周期年尺度上偏少時(shí)期即將結(jié)束，57年長周期尺度上仍處于偏多時(shí)期。