四川盆地日照时数变化特征及未来趋势分析
四川盆地日照时数变化特征及未来趋势分析
气候变化会导致大气层的物理和化学结构发生变化，进而影响地面太阳辐射量的分布和强度。日照时数反映了一天内地面太阳直接辐射强度达到或者超过120 W∙m−2时间的总和，其不仅是表征气候系统变化的要素之一，也是衡量光照条件优劣和热量大小的重要指标，与作物生长发育、气候资源开发利用及人类生产生活密切相关。因此，在当前全球气候系统显著变化的背景下，日照时数已经成为气候学、环境学和生态学等领域重点关注的对象。
研究背景
诸多学者已对日照时数的时空变化特征及其变化趋势进行了深入探讨。从全球尺度来看，全球日照时数呈逐年减少趋势，即所谓的“全球变暗”现象。我国许多地区日照时数也呈现出明显的下降趋势。北京市19232020年的年日照时数以22.42 h/10a的速率减少，其中夏季、秋季和冬季日照时数也均呈显著减少趋势。东北地区年日照时数总体呈现出减少的趋势，夏季减少幅度最大，秋季减少幅度最小。山西省19592008年平均日照时数呈显著减少趋势(65.40 h/10a)，且四季均呈减少趋势，其中夏秋冬季日照时数显著减少。安徽省近45年的年日照时数变化幅度较大，呈明显的减少趋势，变化率为−66.94 h/10a，其中春季日照时数总体呈微弱的上升趋势，夏季、秋季和冬季日照时数呈下降趋势。但是我国也有一些地区日照时数呈现出不同的变化趋势。19962021年酒泉市平均日照时数整体以增加趋势为主，气候变化倾向率为55.81 h/10年，四季日照时数也呈现出增加趋势，尤以春季贡献最大。19812016年石河子垦区日照时数呈增加趋势，气候变化倾向率为42.8 h/10a，其中日照时数在冬季显著减少，其他季节增加趋势。
四川省是中国地形最复杂的省，同时包括山地、丘陵、平原、高原，从川西到川东落差近7000 m，是我国重要的粮食生产基地。日照时数直接影响着生物生长，许多农作物的生长发育过程对光照要求严格，光照不足会导致农作物产量减少。国内也有学者对四川省日照时数特征进行了一些分析，例如胡慧敏研究结果表明四川省50年来的平均日照时数整体呈现下降趋势，变化率为−28.70 h/10a。但是日照时数变化趋势与下垫面类型密切相关，例如有研究表明日照时数在内陆和平原地区下降最明显，而西北山区和沿海地区下降最小。因此研究四川盆地日照时数的时空变化特征，并分析其未来变化趋势，对于评估四川盆地气候变化特征和布局农业生产发展具有一定的指导意义。
资料来源和研究方法
本文研究所用数据主要来源于中国气象数据网的中国地面气候资料日值集(V3.0)，该数据集涵盖了四川盆地14个国家气象站点的日照时数、气压、相对湿度、平均风速、降水量等气象要素数据。这些站点分布较为均匀，且站点间海拔相差较小，约为300~700 m，其中叙永站海拔高度最低(309.7 m)，都江堰站点海拔高度最大(698.5 m)。
本研究采用线性倾向趋势分析和Morlet小波分析分别分析日照时数的时间变化特征和周期特征；同时采用克里金插值法分析日照时数的空间分布特征。日照时数未来的变化趋势则采用重标极差(R/S)分析法。R/S分析法是一种用来分析时间序列数据长期记忆特性的一种统计方法，具体计算步骤和Hurst指数含义参阅相关文献。
研究结果
日照时数年际变化特征
图1. 四川盆地日照时数年际变化特征：(a) 变化趋势，(b) 累计距平
19802018年四川盆地年日照时数平均值为1145.0 h，年际变化较大，标准差为104.1 h，最大值出现在2018年(1409.1 h)，最小值出现在2005年(985.8 h)。整体而言，观测期内四川盆地年日照时数呈上升趋势，气候倾向率达到了19.1 h/10a，但该变化趋势没有达到显著性水平(p > 0.1)。从累计距平曲线可以看出，19862012年日照时数累计距平呈明显下降趋势，大部分年份日照时数低于平均值，为日照时数偏少阶段，2012之后日照时数累计距平呈明显上升趋势，为日照时数偏多阶段。
季节变化特征
四川盆地日照时数四季变化趋势如图2所示。日照时数在夏季最大，为420.7 h，春季次之为333.5 h，冬季最小为158.6 h，秋季为213.3 h。日照时数在春夏秋冬四季均呈现出明显的波动，其变异系数分别为15.0%、15.4%、16.7%和22.7%。整体而言，春夏冬三季的日照时数呈增加趋势，气候倾向率分别为5.26 h/10a、4.78 h/10a和6.47 h/10a。而秋季的日照时数呈下降趋势，气候倾向率为−0.66 h/10a。但日照时数在四季的变化趋势均没有达到显著性水平，其p值均远大于0.1。
图2. 四川盆地日照时数四季变化特征：(a) 春季，(b) 夏季，(c) 秋季，(d) 冬季
日照时数周期变化特征
图3. 四川盆地年日照时数周期特征分析：(a) 小波分析实部等值线分布图，(b) 小波分析方差折线图
观测期间四川盆地日照时数具有多个特征时间尺度的周期性特征，主要有010年、1020年、2030年。其中010年小波系数位于0轴线上下，说明此时四川盆地日照时数与相邻年份变化频繁，规律性较差。在1020年尺度和2530尺度下，四川盆地存在两次日照时数的增加和减少。进一步分析日照时数的小波方差图，可见方差的一个峰值位于26年时间尺度，该时间尺度振荡周期最大，峰值最长，所以它对应的四川盆地日照时数变化的第一主周期。还有一个不明显的8年时间尺度，相比之下其波动能量也较小，其对应的是第二主周期。所以四川盆地日照时数变化受26年和8年特征时间尺度下的两个主周期控制。
日照时数空间分布特征
图4. 四川盆地年日照时数空间分布特征
盆地年均日照时数变化范围为850 h~2000 h，其中盆地中部及西南地区为低值中心，其日照时数均小于1111 h。由低值中心向北和向西，日照时数均逐渐增加，向北最大达到了1842 h，向西最大值达到了1915 h。日照时数最高值位于盆地西北方及西南方，这些地区海拔较高，日照时数数值均大于1500 h。
日照时数的空间分布特征与季节也密切相关，在不同季节具有不同的特征，如图5所示。夏季四川盆地日照时数变化范围为300 h520 h，自西南向东北日照时数值显著增加。在冬季四川盆地日照时数明显小于夏季，变化范围为90 h430 h，且整个空间分布模态与夏季基本相反：日照时数自西向东递减，西南地区日照时数较高，向东部地区逐渐下降。
图5. 四川盆地夏季(a)和冬季(b)日照时数空间分布特征
日照时数变化趋势分析
本文利用R/S法分析四川盆地日照时数年际和季节尺度上的变化趋势，具体而言是利用Hurst指数来衡量日照时数时间序列的持久性特征。ln(R/S)与lnn线性回归方程的斜率即为Hurst指数。Hurst指数 > 0.5表示数据具有正持续性，即过去的趋势会延续到未来。Hurst指数 < 0.5表示数据具有负持续性，即过去的趋势会逆转。Hurst指数 = 0.5表示数据没有持续性，即未来趋势与过去无关。
图6. 四川盆地年日照时数变化趋势
四川盆地年日照时数时间序列的Hurst指数为0.68，Hurst指数在0.5到1范围内，表明盆地日照时数时间序列是一个持续性序列，即未来趋势与过去趋势一致，且H指数趋于0.5，表明持续性较弱。这表明四川盆地日照时数未来将继续呈缓慢增加趋势，与目前日照时数的变化趋势一致。
四川盆地四季日照时数变化趋势如图7所示。春夏秋冬的Hurst指数分别为0.60，0.69，0.51和0.82，均介于0.5到1之间，这说明四川盆地四季的日照时数未来变化趋势与过去趋势相一致，即春夏冬三季的日照时数继续呈增加趋势，而秋季日照时数呈下降趋势。其中冬季的Hurst指数最接近于1，表明冬季日照时数时间序列的持续性最强，未来其变化趋势较为稳定；秋季的Hurst指数趋于0.5，表明秋季日照时数时间序列未来的变化趋势与过去变化趋势没有关系，意味着盆地未来秋季日照时数的变化趋势存在较大的不确定性。
图7. 四川盆地四季日照时数变化趋势
结论
四川盆地年日照时数平均值为1145.0 h，明显小于四川省的年平均日照时数(1459.6 h)，主要是由于盆地总云量较大所致。观测期内盆地年日照时数整体呈增加趋势，但是没有达到显著性水平。季节尺度上，日照时数也表现出明显的波动，其中春夏冬三季呈增加趋势，秋季呈下降趋势，但均没有达到显著性水平。就日照时数的年际和四季变化趋势而言，四川盆地的与整个四川省的特征明显不同，这说明日照时数区域性特征显著，在分析研究过程中必须要考虑下垫面的影响。此外，四川盆地日照时数具有多个特征时间尺度的周期性特征，第一主周期是26年的时间尺度，该时间尺度振荡周期最大，峰值最长；第二主周期是8年时间尺度，相比之下其波动能量也较小。
尽管四川盆地内海拔高度差异较小，但是受地理位置和大气环境的影响，日照时数在空间分布上具有明显的特征，主要表现为在盆地中部及西南地区为低值中心，然后由此向北和向西均逐渐增加，向北最大达到了1842 h，向西最大值达到了1915 h。另外，四川盆地日照时数的空间分布特征受季节影响，夏季日照时数自西南向东北日照时数值呈逐渐增加趋势，而冬季的空间分布模态与夏季基本相反，日照时数表现为自西南地区向东部地区逐渐下降。
基于R/S法对四川盆地日照时数变化趋势的分析结果表明，年尺度上日照时数时间序列的Hurst指数为0.68，表明四川盆地年日照时数未来趋势与过去趋势一致，即继续呈增加趋势。季节尺度上四季日照时数的Hurst指数均介于0.5到1之间，这说明四川盆地春夏冬三季的日照时数继续呈增加趋势，而秋季日照时数继续呈下降趋势。
本文原文来自Hanspub