近60年福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)的變化特征

孫曉航，林玉蕊，丘永杭，黃奇曉，陳曉瑜

（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)全球的自然生態(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)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)科學(xué)研究表明，全球正在經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的變化，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℃，每10年增溫速率約為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)輻射對(duì)地表的影響，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)，已有不少學(xué)者對(duì)日照的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。買苗等[2]利用黃河流域及其周邊146個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2000年逐月日照百分率資料，分析發(fā)現(xiàn)黃河流域日照百分率呈明顯下降趨勢(shì)，遍布整個(gè)流域中、下游。毛飛等[3]利用那曲地區(qū)6個(gè)站點(diǎn)近40年日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速資料，分析發(fā)現(xiàn)那曲地區(qū)年、季日照時(shí)數(shù)均呈下降趨勢(shì)。趙東等[4]利用全國(guó)1961—2007年日照時(shí)數(shù)資料，采用聚類分析方法，將全國(guó)分11個(gè)區(qū)詳細(xì)討論日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)日照總體呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，還有學(xué)者對(duì)黑河流域，云南省，西藏自治區(qū)，安徽省等地日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)作出研究，都得出日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[5～8]。

日照是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的條件，是可供人類開(kāi)發(fā)利用的可再生自然資源，日照時(shí)數(shù)的長(zhǎng)短直接決定了農(nóng)作物光合產(chǎn)物的積累和運(yùn)輸，最終決定了農(nóng)作物的產(chǎn)量[9]。針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)的變化特征這一問(wèn)題已有一些詳細(xì)的研究[10，11]。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；靠近北回歸線，受季風(fēng)環(huán)流和地形影響，形成暖熱濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，熱量豐富；森林覆蓋率為65.95%，位居全國(guó)首位；擁有眾多國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，是我國(guó)林木、茶葉、果樹(shù)、水稻等大量農(nóng)林作物種植地。目前對(duì)福建省日照時(shí)數(shù)的研究較少[12]，尤其對(duì)生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)的研究未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本文利用福建地區(qū)22個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2018年日照資料，分析福建地區(qū)日照時(shí)數(shù)在生長(zhǎng)季的變化特征。

1 資料與方法

1.1 資料

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https://data.cma.cn）下載的地面氣象資料。選用福建省22個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的逐日日照時(shí)數(shù)資料，時(shí)間范圍為1961—2018年作物生長(zhǎng)季（4—9月）。福建省22個(gè)氣象站點(diǎn)空間位置如圖1所示。

圖1 福建省氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Fujian Province

1.2 研究方法

1.2.1 累積距平

其中，xj為從第一年至第j年的累積距平；為整個(gè)序列平均值。通過(guò)累積距平曲線的波動(dòng)起伏，可以判斷其長(zhǎng)期演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化，甚至可以診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間[13]。

1.2.2 氣候傾向率氣象要素的變化趨勢(shì)用一次線性方程進(jìn)行估計(jì)：

a1的符號(hào)為正，表示日照時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)，負(fù)為下降趨勢(shì)；相關(guān)系數(shù)r表示趨勢(shì)是否顯著，超過(guò)顯著性水平a=0.05則可認(rèn)為趨勢(shì)顯著，否則認(rèn)為變化趨勢(shì)是不顯著的。

1.2.3 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

滑動(dòng)t檢驗(yàn)通過(guò)考察兩組樣本均值差異是否顯著來(lái)檢驗(yàn)突變。將年日照時(shí)數(shù)xi分成兩個(gè)樣本子集x1和x2，樣本量分別為n1和n2(一般取相同長(zhǎng)度n1=n2），人為設(shè)置某一時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，兩段子序列平均值分別為，方差為。定義統(tǒng)計(jì)量：

式中t遵循自由度υ=n1+n2-2。如果t統(tǒng)計(jì)量超過(guò)了一定的顯著性水平，可認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生。由于子序列長(zhǎng)度的選擇帶有人為性，為避免任意選擇子序列長(zhǎng)度造成突變點(diǎn)的漂移，可以反復(fù)變動(dòng)子序列長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，以提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1.2.4 小波分析

小波分析是從傅里葉變化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)數(shù)學(xué)分支，在時(shí)域和頻域上都具有良好的局部性質(zhì)，可以反映出氣象要素時(shí)序數(shù)據(jù)在不同時(shí)間尺度下隨時(shí)間變化的特征[14-15]。選用小波函數(shù)對(duì)生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)逐年距平值進(jìn)行連續(xù)小波變化，通過(guò)小波方差分析福建省日照時(shí)數(shù)的周期變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省生長(zhǎng)季平均日照時(shí)數(shù)變化特征

2.1.1 日照時(shí)數(shù)年際變化

圖2給出了福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)特征變化曲線。1961—2018年期間，福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)多年平均值為1 000.11 h，日照時(shí)數(shù)最多的年份為1963年（1 286.11 h），最少為1997年（765.70 h）,兩者相差520.41 h，呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)性。近60年福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，這與我國(guó)日照總體上表現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)結(jié)論相一致[4]。趨勢(shì)系數(shù)為-35.44 h/10a,日照時(shí)數(shù)平均每10 a減少了35.44 h，日照時(shí)數(shù)與時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為-0.54，通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。

圖2 1961—2018年生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)特征變化曲線Fig.2 The variation curve of sunschine duration in the growing seasons from 1961 to 2018

2.1.2 日照時(shí)數(shù)累積距平變化

圖3給出了福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)累積距平曲線。日照時(shí)數(shù)的累積距平具有明顯的上升和下降階段，其中1971年、1991年、2016年為明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1961—1971年呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)全部大于多年平均值，為日照時(shí)數(shù)偏高階段；1971—1991年趨勢(shì)不明顯，呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)；1991—2016年呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，除了2003—2004年和2009年、2011年有所回升之外，大多數(shù)年份日照時(shí)數(shù)低于多年平均值，為日照時(shí)數(shù)偏低階段；2016年后日照時(shí)數(shù)開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖3 1961—2018年生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)累積距平曲線Fig.3 The cumulative anomaly curve of sunshine duration in the growing seasons from 1961 to 2018

2.2 福建省生長(zhǎng)季日照突變點(diǎn)檢驗(yàn)與日照周期分析

2.2.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

圖4給出了福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)曲線。計(jì)算過(guò)程中不斷變動(dòng)子序列長(zhǎng)度，以增進(jìn)突變檢測(cè)結(jié)果的可靠性（本文取n1=n2=10）。檢驗(yàn)結(jié)果一致表明，生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)在1971年的t統(tǒng)計(jì)量超過(guò)了0.001顯著性水平，表明福建省生長(zhǎng)季在1971年附近發(fā)生了顯著的突變，突變前日照時(shí)數(shù)均大于多年平均值，為日照時(shí)數(shù)正距平明顯占優(yōu)勢(shì)的氣候階段，突變后日照時(shí)數(shù)偏多階段停止。這與累積距平曲線顯示的日照時(shí)數(shù)在1971停止上升趨勢(shì)，為明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)的事實(shí)相吻合[16],也與彭云峰、王瓊所研究的福建省在1971年出現(xiàn)日照時(shí)數(shù)異常偏多的結(jié)論一致[12]；滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量在1991年未通過(guò)0.001的顯著檢驗(yàn)，但通過(guò)了0.01的顯著檢驗(yàn)，說(shuō)明日照時(shí)數(shù)在1991年附近發(fā)生了突變，突變后日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)變成負(fù)距平占優(yōu)勢(shì)的少日照階段。這與累積距平曲線顯示的日照時(shí)數(shù)在1991年開(kāi)始呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，為另一轉(zhuǎn)折點(diǎn)的事實(shí)相吻合[17]。

圖4 1961—2018年生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)曲線Fig.4 The slide t-test curve of sunshine duration in the growing seasons from 1961 to 2018

2.2.2 小波方差分析

圖5給出了福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)距平小波方差變化曲線。由圖可知，全區(qū)生長(zhǎng)季平均日照時(shí)數(shù)存在明顯的周期震蕩特征。小波方差的主要峰值分別為31、12、7和4 a，日照時(shí)數(shù)存在多個(gè)“偏高期”和“偏低期”相互交替出現(xiàn)，第1峰值為31 a，說(shuō)明31 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為第1主周期，第2主周期為12 a，第三主周期為7 a，第四主周期為4 a。

圖5 1961—2018年生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)小波方差變化曲線Fig.5 The variation curve of wavelet variance on the sunshine cluration in the growing seasons from 1961 to 2018

3 結(jié)論

（1）福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)為765.70～1 286.11 h，平均值為1 001.11 h，日照時(shí)數(shù)變化呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。全區(qū)平均日照時(shí)數(shù)總體上表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，10a下降速率為35.44 h，下降趨勢(shì)通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)。

（2）福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)在近60年內(nèi)存在兩次突變。第1次突變?cè)?971年附近，突變現(xiàn)象顯著，表現(xiàn)為日照時(shí)數(shù)明顯的上升趨勢(shì)停止，在之后一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)輕微波動(dòng)狀態(tài)，日照時(shí)數(shù)變化不明顯；在1991年附近發(fā)生第2次突變，表現(xiàn)為日照時(shí)數(shù)的急劇減少，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（3）福建省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)在近60年的研究里具有四個(gè)周期變化，呈現(xiàn)多個(gè)“偏高期”和“偏低期”交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，其中以31 a左右的周期震蕩最強(qiáng)。

本文對(duì)福建省生長(zhǎng)季的日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)期變化特征作出分析，為農(nóng)林業(yè)的合理生產(chǎn)與種植提供參考。但并未對(duì)地形因素對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響以及其他氣象因子對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響機(jī)制展開(kāi)研究，這將會(huì)是筆者后續(xù)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。