嚴敏聰，潘志豪，沈碧輝，翁佳烽

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

日照時數(shù)是最重要的氣象要素之一，但是在20世紀改革開放以來，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數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，日照時數(shù)的變化成為了當下國內(nèi)眾多學(xué)者的研究對象，黃珍珠等［3］分析了1960—2008年廣東省不同區(qū)域的日照時數(shù)變化特征；吳桂明等［4］研究了1965—2015年廣東省日照時數(shù)時空變化特征；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一致［6］。空間插值方法上，以往研究多用克里金（Kriging）、反距離加權(quán)（IDW）等進行插值，而有研究得出從統(tǒng)計學(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］；時序分析方法上，許多研究用線性回歸、Mann—Kendall突變檢驗、Yamamoto檢驗等方法分析時間變化趨勢，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年廣東省日照時數(shù)的時空變化特征，研究結(jié)果對認識該地區(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，全省地勢大體北高南低，但境內(nèi)山川縱橫交錯，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)，日照時間長，全省日照時數(shù)由北向南遞增，年平均日照時數(shù)由不足1 100 h增加到將近2 200 h，常年年平均日照時數(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個國家級氣象站1971—2020年歷年來的年平均與季平均日照時數(shù)氣象資料為原始數(shù)據(jù)，其中剔除4個不連續(xù)、冗余及錯誤的站點數(shù)據(jù)，余下的站點進行算術(shù)平均；另外選取12個分布均勻、海拔高程不一的站點作為驗證站點，最后剩余的70個站點進行插值處理。同時根據(jù)廣東省特有的氣候特征將1年12個月進行了四季劃分：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。

日照時數(shù)數(shù)據(jù)是每個站點的實測數(shù)據(jù)，本研究使用Anusplin插值軟件進行氣象數(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是獨立變量；yi為獨立協(xié)變量；b為獨立協(xié)變量的系數(shù)；ei為隨機誤差。

該次分析對廣東省70個站點的數(shù)據(jù)使用Anusplin插值軟件以海拔作為協(xié)變量進行插值處理，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年年平均日照時數(shù)以及四季平均日照時數(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，能夠直觀的展示隱含在氣象要素中的各類隨時間周期波動的周期震蕩［11］，利用Morlet函數(shù)繪制小波系數(shù)實部等值線圖，可表現(xiàn)出日照時數(shù)序列的周期變化特征，具體問題見文獻［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數(shù)范圍在1 052.3～2 185.9 h，全省平均日照時數(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)日照時數(shù)最多，而韶關(guān)以及清遠的“三連”（連山、連南、連州）地區(qū)高緯度高海拔地區(qū)日照時數(shù)最少。

圖1 廣東省1971—2020年的年、季均日照時數(shù)柵格空間分布

經(jīng)統(tǒng)計分析（圖1）柵格像元數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，年日照時數(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的“三連”地區(qū)的北部；≥1 400 h同時＜1 600 h的像元數(shù)占總像元數(shù)15.84%，主要位于清遠以及韶關(guān)、云浮、肇慶的高海拔山區(qū)等地區(qū)；≥1 600 h同時＜1 800 h的像元數(shù)占總像元數(shù)比重最大，達53.56%，在珠三角、粵東以及粵西都占據(jù)大部；≥1 800 h同時＜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低值區(qū)，冬季反之，全省東南向的大部均為相對高值區(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數(shù)的空間分布，但其插值精度誤差仍需再作進一步檢驗。

為驗證Anusplin的插值準確度，進一步選取氣象學(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）進行橫向?qū)Ρ?，如圖2所示，再分別對3種插值結(jié)果的12個檢驗站點實測值和插值進行誤差檢驗，通過根均方差（RMSE）和平均絕對誤差（MAE）兩個指標來評估插值效果，如表1所示，指標值越小，說明插值方法準確度越高［13］。RMSE和MAE表達式如下：

表1 近50年年均、季均日照時數(shù)3種插值結(jié)果的驗證站點實測值和插值誤差檢驗 h

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

其中，Z0i和Zi分別是第i個站點的預(yù)測值和實際值；n為參與檢驗站點數(shù)。

由表1可知，Anusplin插值中誤差指標除了秋季的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確地突出小范圍區(qū)域內(nèi)日照時數(shù)的差異，更精細顯示廣東省日照時數(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)果更能準確體現(xiàn)實際日照時數(shù)空間分布。

2.2 時間尺度

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

圖3 1971—2020年廣東省年均日照時數(shù)趨勢線

由圖4可以看出，日照時數(shù)在多個時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，日照時數(shù)經(jīng)歷了3個時期的交替變化，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個時期的交替變化，偏多出現(xiàn)在1971、2000年附近，偏少出現(xiàn)在1985、2012年附近。而在中短時間的周期范圍內(nèi)，28～34年經(jīng)歷了6個時期的交替變化，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個時間尺度的周期變化貫穿整個分析時段，表現(xiàn)的全域性特征。18～24年經(jīng)歷了7個時期的交替變化，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，其余時間變化周期不顯著。

圖4 年均日照時數(shù)Morlet小波變換系數(shù)實部

綜合分析可以看出，20年時間變化尺度上顯示廣東省處于年日照時數(shù)偏少時期的開始，30年尺度上未閉合的仍處于偏多時期，42年長周期年尺度上偏少時期即將結(jié)束，57年長周期尺度上偏多時期仍未閉合。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數(shù)開始轉(zhuǎn)為偏少時期，而在30年以上的大尺度上則處于偏多時期。

由圖5可知，該圖的4個極值點對應(yīng)的周期尺度分別是21、30、42和57年，且42年左右的時間尺度對應(yīng)的方差極值最顯著，其次為57年。

圖5 年均日照時數(shù)Morlet小波變換方差

綜上所述，廣東省年均日照時數(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個插值站點日照時數(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站點的變化傾向率，在根據(jù)其傾向率數(shù)據(jù)進行Anusplin的插值得出1971—2020年廣東省年均日照時數(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)日照時數(shù)呈增長趨勢外，其余全省大都呈現(xiàn)減少趨勢，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)日照時數(shù)反而較少，秋季次之。

2）Anusplin插值法驗證結(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插值更能準確體現(xiàn)實際日照時數(shù)空間分布。

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