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。
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
1.2.1 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。
2.1.1 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
2.2.1 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
(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。