孫曉航，林玉蕊，丘永杭，黃奇曉，陳曉瑜

（1.福建農(nóng)林大學 計算機與信息學院，福建 福州 350002；2.生態(tài)與資源統(tǒng)計福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；3.福建省資源環(huán)境空間信息統(tǒng)計研究中心，福建 福州 350002）

氣候變化對全球的自然生態(tài)系統(tǒng)及社會經(jīng)濟體系具有深遠的影響，是當今世界各國廣泛關注的熱點問題。據(jù)科學研究表明，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]。氣候變化會引起大氣結(jié)構(gòu)的變化，進而影響到太陽輻射對地表的影響，探討氣候變化對日照時數(shù)的影響具有重要意義。近年來，已有不少學者對日照的時空變化特征進行分析。買苗等[2]利用黃河流域及其周邊146個氣象站點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，遍布整個流域中、下游。毛飛等[3]利用那曲地區(qū)6個站點近40年日照時數(shù)和風速資料，分析發(fā)現(xiàn)那曲地區(qū)年、季日照時數(shù)均呈下降趨勢。趙東等[4]利用全國1961—2007年日照時數(shù)資料，采用聚類分析方法，將全國分11個區(qū)詳細討論日照時數(shù)長期變化趨勢，發(fā)現(xiàn)我國日照總體呈下降趨勢。同時，還有學者對黑河流域，云南省，西藏自治區(qū)，安徽省等地日照時數(shù)變化趨勢作出研究，都得出日照時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢[5～8]。

日照是農(nóng)作物生長發(fā)育必不可少的條件，是可供人類開發(fā)利用的可再生自然資源，日照時數(shù)的長短直接決定了農(nóng)作物光合產(chǎn)物的積累和運輸，最終決定了農(nóng)作物的產(chǎn)量[9]。針對農(nóng)作物生長季日照時數(shù)的變化特征這一問題已有一些詳細的研究[10，11]。福建省位于我國東南部，屬于山地丘陵地勢，境內(nèi)山地丘陵占全省土地面積的80%以上；靠近北回歸線，受季風環(huán)流和地形影響，形成暖熱濕潤的亞熱帶季風氣候，雨量充沛，熱量豐富；森林覆蓋率為65.95%，位居全國首位；擁有眾多國家級自然保護區(qū)，是我國林木、茶葉、果樹、水稻等大量農(nóng)林作物種植地。目前對福建省日照時數(shù)的研究較少[12]，尤其對生長季日照時數(shù)的研究未見報道。鑒于此，本文利用福建地區(qū)22個氣象站點1961—2018年日照資料，分析福建地區(qū)日照時數(shù)在生長季的變化特征。

1 資料與方法

1.1 資料

本文數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https://data.cma.cn）下載的地面氣象資料。選用福建省22個國家基準氣象站點的逐日日照時數(shù)資料，時間范圍為1961—2018年作物生長季（4—9月）。福建省22個氣象站點空間位置如圖1所示。

圖1 福建省氣象站點分布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；為整個序列平均值。通過累積距平曲線的波動起伏，可以判斷其長期演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至可以診斷出發(fā)生突變的大致時間[13]。

1.2.2 氣候傾向率氣象要素的變化趨勢用一次線性方程進行估計：

a1的符號為正，表示日照時數(shù)呈上升趨勢，負為下降趨勢；相關系數(shù)r表示趨勢是否顯著，超過顯著性水平a=0.05則可認為趨勢顯著，否則認為變化趨勢是不顯著的。

1.2.3 滑動t檢驗

滑動t檢驗通過考察兩組樣本均值差異是否顯著來檢驗突變。將年日照時數(shù)xi分成兩個樣本子集x1和x2，樣本量分別為n1和n2(一般取相同長度n1=n2），人為設置某一時刻為基準點，兩段子序列平均值分別為，方差為。定義統(tǒng)計量：

式中t遵循自由度υ=n1+n2-2。如果t統(tǒng)計量超過了一定的顯著性水平，可認為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生。由于子序列長度的選擇帶有人為性，為避免任意選擇子序列長度造成突變點的漂移，可以反復變動子序列長度進行實驗比較，以提高計算結(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上發(fā)展起來的一個數(shù)學分支，在時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序數(shù)據(jù)在不同時間尺度下隨時間變化的特征[14-15]。選用小波函數(shù)對生長季日照時數(shù)逐年距平值進行連續(xù)小波變化，通過小波方差分析福建省日照時數(shù)的周期變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省生長季平均日照時數(shù)變化特征

2.1.1 日照時數(shù)年際變化

圖2給出了福建省生長季日照時數(shù)特征變化曲線。1961—2018年期間，福建省生長季日照時數(shù)多年平均值為1 000.11 h，日照時數(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)出較大的波動性。近60年福建省生長季日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，這與我國日照總體上表現(xiàn)明顯的下降趨勢結(jié)論相一致[4]。趨勢系數(shù)為-35.44 h/10a,日照時數(shù)平均每10 a減少了35.44 h，日照時數(shù)與時間序列的相關系數(shù)為-0.54，通過了99%的信度檢驗。

圖2 1961—2018年生長季日照時數(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 日照時數(shù)累積距平變化

圖3給出了福建省生長季日照時數(shù)累積距平曲線。日照時數(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。1961—1971年呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，日照時數(shù)全部大于多年平均值，為日照時數(shù)偏高階段；1971—1991年趨勢不明顯，呈現(xiàn)波動狀態(tài)；1991—2016年呈現(xiàn)明顯下降趨勢，除了2003—2004年和2009年、2011年有所回升之外，大多數(shù)年份日照時數(shù)低于多年平均值，為日照時數(shù)偏低階段；2016年后日照時數(shù)開始呈現(xiàn)上升趨勢。

圖3 1961—2018年生長季日照時數(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 福建省生長季日照突變點檢驗與日照周期分析

2.2.1 滑動t檢驗

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

圖4 1961—2018年生長季日照時數(shù)滑動t檢驗曲線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給出了福建省生長季日照時數(shù)距平小波方差變化曲線。由圖可知，全區(qū)生長季平均日照時數(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，日照時數(shù)存在多個“偏高期”和“偏低期”相互交替出現(xiàn)，第1峰值為31 a，說明31 a左右的周期震蕩最強，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年生長季日照時數(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）福建省生長季日照時數(shù)為765.70～1 286.11 h，平均值為1 001.11 h，日照時數(shù)變化呈現(xiàn)出明顯的波動性。全區(qū)平均日照時數(shù)總體上表現(xiàn)出下降趨勢，10a下降速率為35.44 h，下降趨勢通過99%的信度檢驗。

（2）福建省生長季日照時數(shù)在近60年內(nèi)存在兩次突變。第1次突變在1971年附近，突變現(xiàn)象顯著，表現(xiàn)為日照時數(shù)明顯的上升趨勢停止，在之后一段時間內(nèi)呈現(xiàn)輕微波動狀態(tài)，日照時數(shù)變化不明顯；在1991年附近發(fā)生第2次突變，表現(xiàn)為日照時數(shù)的急劇減少，呈現(xiàn)下降趨勢。

（3）福建省生長季日照時數(shù)在近60年的研究里具有四個周期變化，呈現(xiàn)多個“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。

本文對福建省生長季的日照時數(shù)長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。但并未對地形因素對日照時數(shù)的影響以及其他氣象因子對日照時數(shù)的影響機制展開研究，這將會是筆者后續(xù)研究的重點問題。