閆軍輝, 魏 然, 王 娟, 計舒懷, 王黎明, 呂金金, 李雪婷, 李 潔

(1. 信陽師范大學 a. 地理科學學院; b. 氣候與環(huán)境演變重點實驗室; c. 計算機與信息技術學院, 河南 信陽 464000; 2. 陜西省氣候中心, 陜西 西安 710014; 3. 信陽市氣象局, 河南 信陽 464000)

0 引言

IPCC第六次評估報告(AR6)指出,相較于工業(yè)化前水平(1850—1900年),2011—2020年全球表面溫度升高約為1.09 ℃[1]。全球溫度普遍升高導致大氣物理和化學結構發(fā)生變化,進而對氣候系統(tǒng)造成影響[2]。作為表征氣候系統(tǒng)變化的要素之一,日照時數是衡量光照條件優(yōu)劣和熱量大小的重要指標,與生物的生長發(fā)育和人類生產生活密切相關,因而受到各國政府和科學界的廣泛關注。研究者已對日照時數時空變化和影響因素進行了大量的研究。結果表明,20世紀50年代以來,我國日照時數總體呈減少趨勢[3],但存在區(qū)域差異:華北[4]、華東[5]、青藏高原北部和中東部地區(qū)[6]的日照時數呈減少趨勢,而東北北部[7]和西北部分地區(qū)[8]日照時數卻呈增加趨勢。也有學者分析了日照時數的周期與突變特征,認為中國年日照時數存在12～15 a時間尺度的周期振蕩,并于1981年發(fā)生突變[9]。區(qū)域上,西北、東北和西南地區(qū)均于20世紀80年代發(fā)生突變,其他地區(qū)突變信號不明顯[10]。還有學者對日照時數影響因素進行了研究,認為氣溶膠和總云量是導致日照時數變化的主要因素[11]。除此之外,日照時數還與風速、降水量等存在密切關系[10]。

盡管對日照時數已經有了大量研究,但與氣溫[12-14]、降水[15]等其他要素相比,這些研究的時間尺度多集中于過去幾十年,百年尺度日照時數的研究相對較少,有關日照時數未來趨勢的研究也不多見。此外,日照時數變化在不同空間尺度上的表現存在差異,相較于全球尺度,區(qū)域尺度的日照時數變化對局地影響更為重要和直接,因此開展典型區(qū)域日照時數變化研究具有重要意義。北京市位于華北平原北部,北靠燕山山脈,西倚太行山脈,屬黃土高原、內蒙古高原向華北平原的過渡地帶,地理位置敏感而復雜。同時,北京市在很長歷史時期內作為我國政治、文化中心,其開發(fā)強度大、發(fā)展速度高,人口密度的快速增加和城市化水平的提高也使得該地生態(tài)環(huán)境脆弱,對其社會經濟發(fā)展造成一定影響?；诖?擬利用1923—2020年北京市逐月日照時數資料,分析近百年北京市日照時數變化特征及其未來趨勢,旨在從更長時間尺度上揭示北京市日照時數的變化規(guī)律,為北京市及周邊地區(qū)合理利用氣候資源、保障可持續(xù)發(fā)展提供參考依據。

1 資料和方法

1.1 資料來源

所用資料為1923—2020年北京市和天津市逐月日照時數數據。按照來源不同,可分為兩部分:1951—2020年北京市和天津市日照資料源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/);1951年之前兩地的數據分別摘自《北京氣候資料(1841—1980年)》和《天津氣象資料1890—1960》。

由于社會動亂、戰(zhàn)爭、儀器設備故障等原因,1951年之前北京市日照時數資料存在缺失。近百年北京市日照時數共缺失79個月,占比為6.7%。缺失資料集中分布于7月、8月和12月,缺失百分比均在0.6%以上;其次為1月、2月、5月、6月以及9—11月,缺失百分比在0.5%～0.6%之間;3月和4月缺失資料最少,缺失百分比在0.5%以下(表1)。上述資料均經過嚴格的質量控制,可靠性較高。

表1 1923—2020年北京市日照時數缺失及插補情況Tab. 1 Missing data and interpolation in Beijing sunshine duration during 1923—2020

1.2 研究方法

為獲取過去百年北京市連續(xù)日照時數數據,采用回歸訂正法對缺失數據進行逐月插補。選取受同一天氣系統(tǒng)控制且資料相對完整的天津市作為參考站,以1961—1990年為參考時段,建立二者訂正方程,利用該方程對北京市缺失的數據進行插補。統(tǒng)計表明,參考時段北京市與天津市各月日照時數的相關系數在0.729～0.920之間,其中8個月相關系數在0.8以上,回歸方程全部通過0.001顯著性檢驗(表1)。對兩地日照時數均缺失的月份,選用缺失月份前后5年的算術平均值進行插補。

采用一元線性回歸法分析1923—2020年北京市年和四季日照時數的變化速率。為研究過去百年北京市日照時數的周期和突變特征,分別采用小波分析和Mann-Kendall法計算日照時數的振蕩周期和突變年份。前者是以傅立葉變換為基礎的頻域分析方法,其意義是將時間序列的總能量分解到不同頻率上的分量,根據不同頻率波的方差貢獻診斷出序列的主要周期;后者是一種非參數統(tǒng)計檢驗方法,其優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布,也不受少數異常值的干擾[16]。未來趨勢方面,采用R/S分析法對北京市日照時數變化進行預測。該方法通過Hurst指數揭示時間序列中的趨勢型成分。

2 結果與分析

2.1 變化速率

2.1.1 年變化

1923—2020年北京市年日照時數平均值為2 641.4 h,最大值為3 146.2 h,出現于1962年;最小值為2 192.7 h,出現于2006年,兩者相差953.5 h,年際震蕩劇烈。一元線性擬合顯示,該時段北京市年日照時數以(-22.42±12.89) h/10a的速率呈顯著減少趨勢(95%置信區(qū)間,下同),方程通過了0.001顯著性水平檢驗。

圖1 1923—2020年北京市年日照時數變化Fig. 1 Annual variation of sunshine duration in Beijing during 1923—2020

由多項式擬合可知,過去百年北京市年日照時數大體經歷了“先增加,后減少”的多年代波動,可分為兩個時段:1923—1966年北京市年日照時數呈顯著增加趨勢,速率為(67.62±41.48) h/10a,回歸方程通過了0.05的顯著性檢驗;1967—2020年則呈顯著減少趨勢,速率為(-78.74±23.39) h/10a,通過0.001的顯著性水平檢驗。1923—1966年北京市日照時數的標準差為189.7 h,而1967—2020年北京市日照時數的標準差較小,為179.5 h,表明1923—1966年北京市年日照時數的波動較為劇烈,而1967—2020年日照時數波動較為平緩。

2.1.2 季節(jié)變化

1923—2020年北京市四季日照時數多年平均值在574.4～747.1 h之間。其中,春季日照時數最大;其次是夏季和秋季,多年平均值分別為684.6 h和634.4 h;冬季日照時數最小。過去百年北京市春、夏和冬季日照時數的極大值均出現在20世紀60年代,其值分別為942.0 h、885.0 h和735.2 h,秋季日照時數極大值出現在1957年,為759.7 h,略早于其他三季。北京市四季日照時數極小值出現的時間較為分散,其值分別為518.6 h(1923年春)、479.7 h(1996年夏)、447.4 h(2014年秋)和412.6 h(1968年冬)。變差系數反映了日照時數序列的波動狀況,分析可知夏季日照時數變差系數最大,為12.6 %,其余三季日照時數的變差系數相對較小,表明北京市夏季日照時數波動劇烈,春、秋和冬季日照時數變化則相對平緩。

1923—2020年北京市夏、秋和冬季日照時數變化與年日照時數變化一致,均呈減少趨勢,但減少速率有別。夏季減少趨勢最為明顯,速率為(-12.18±5.38) h/10a;秋季次之,減少速率為(-9.97±4.25) h/10a;冬季變化趨勢最弱,以(-4.50±4.16) h/10a的速率減少,而春季日照時數以(4.19±5.31) h/10a的速率呈不顯著增加趨勢。F檢驗顯示,夏季、秋季日照時數變化速率均通過0.001顯著性水平檢驗;冬季日照時數的變化速率通過0.05顯著性水平檢驗,春季日照時數的變化速率不顯著(表2)。

表2 1923—2020年北京市日照時數季節(jié)變化Tab. 2 Four seasons variation of sunshine duration in Beijing during 1923—2020

2.2 周期與突變

2.2.1 周期

1923—2020年北京市年日照時數小波實部等值線(圖2)存在2個高值中心和4個低值中心,高值中心出現分別出現于1938年和1990年,低值中心出現的年份分別為1925年、1950年、1970年和2010年。圖像呈現出明顯的階段性,1955—2000年北京市日照時數變化相對穩(wěn)定,1923—1954年與2001—2020年日照時數的變化結構相似,變化均比較劇烈。分析可知,過去百年北京市日照時數存在56 a、36 a時間尺度的準周期變化。小波系數實部等值線在56 a的時間尺度上表現出正負交替的準3次振蕩,且能量最強,周期最顯著,是日照時數變化的第一主周期;在36 a的時間尺度上,20世紀60年代之前周期變化較為穩(wěn)定,60年代以后振蕩信號并不顯著,為日照時數變化的第二主周期。

圖2 1923—2020年北京市年日照時數小波分析結果Fig. 2 Results of wavelet analysis of annual sunshine duration in Beijing during 1923—2020

季節(jié)上,由小波方差圖可知(圖3),北京市夏、秋和冬季日照時數周期特征與年日照時數一致,均存在56 a、36 a時間尺度的周期變化,小波方差最大峰值對應著56 a的時間尺度,表明56 a的周期振動最強,為第一主周期;36 a時間尺度對應著第二峰,為夏、秋和冬季日照時數的第二主周期。春季日照時數小波方差圖中存在2個較為明顯的峰值,它們依次從小至大對應著44 a和57 a的時間尺度。其中,最大峰值對應著57 a的時間尺度,為第一主周期;44 a時間尺度對應著第二峰值,為第二主周期。

圖3 1923—2020年北京市四季日照時數小波方差圖Fig. 3 Wavelet variance plot of seasonal sunshine duration in Beijing during 1923—2020

2.2.2 突變

圖4為1923—2020年北京市年日照時數Mann-Kendall突變分析圖,由UF曲線可知,北京市年日照時數自20世紀20年代末直到90年代末,UF統(tǒng)計值大于0,表明該時段北京日照時數序列呈增加趨勢;其中,1927—1947年和1957—1989年UF曲線統(tǒng)計值超過臨界值,表明日照時數序列增加趨勢顯著;20世紀90年代末以來北京市日照時數UF曲線統(tǒng)計值小于0,日照時數序列開始轉為減少趨勢,2009年前后UF曲線統(tǒng)計值超過臨界值,表明序列減少趨勢顯著。UF和UB曲線在2000年出現交點,且交點位于臨界線之間,表明年日照時數在2000年發(fā)生突變。由表3可知,突變前的年日照時數多年均值為2 688.8 h,突變后為2 456.4 h,相比減少232.4 h。突變前后變差系數由6.61%降低至4.56%,表明北京市日照時數在2000年以前波動劇烈,2000之后日照時數變化較為平緩。突變前年日照時數以(1.21±18.50) h/10a的速率呈不顯著增加趨勢,突變后年日照時數呈減少趨勢,速率為(-5.23±93.75) h/10a,突變前后年日照時數的變化速率均未通過顯著性檢驗。

圖4 1923—2020年北京市年日照時數Mann-Kendall突變分析Fig. 4 Mann-Kendall analysis of annual sunshine duration in Beijing during 1923-2020

表3 1923—2020年北京市日照時數突變前后對比Tab. 3 Comparison of sunshine duration before and after abrupt change in Beijing during 1923-2020

季節(jié)上,近百年北京市夏、秋和冬季日照時數均發(fā)生突變,其中冬季突變年份最早,為1983年;秋季次之,突變年份為1992年;夏季突變時間最晚,為2001年;而春季日照時數未檢測出突變信號(表3)。與突變前相比,夏、秋、冬季突變后的日照時數均較突變前顯著減少,減少幅度在39.3～114.4 h之間。夏季日照時數的變差系數在突變前為10.48%,突變后降低至7.29%,表明夏季日照時數突變后變化較為平緩;秋季和冬季日照時數突變前的變差系數為8.03%、9.58%,突變后分別升高至9.91%和9.75%,表明秋季和冬季日照時數突變后波動劇烈。夏季日照時數突變前后的變化速率均呈減少趨勢,突變后的減少速率大于突變前;秋季和冬季日照時數在突變發(fā)生之前均呈增加趨勢,突變后呈減少趨勢,方程均未通過顯著性檢驗。

2.3 未來變化

R/S分析結果表明(表4),1923—2020年北京市年日照時數Hurst指數為0.969,持續(xù)強度為“很強”等級,表明未來北京市年日照時數將延續(xù)過去百年的變化趨勢,即未來北京市年日照時數仍將保持很強的減少趨勢。季節(jié)上,1923—2020年北京市四季日照時數Hurst指數均大于0.5,具有狀態(tài)持續(xù)性,但持續(xù)強度存在等級差異。夏、秋和冬季北京市日照時數Hurst指數分別為0.913、0.941和0.811,說明未來北京市夏、秋和冬季日照時數仍將持續(xù)減少,持續(xù)強度均為“很強”;而春季日照時數的Hurst指數為0.744,意味著春季日照時數未來仍將保持過去日照時數的增加趨勢,但持續(xù)強度為較強。

表4 不同時間尺度北京市年及四季日照時數Hurst指數Tab. 4 Annual and seasonal Hurst index of sunshine duration at different time scales

時間尺度差異會對日照時數的趨勢預測造成影響,不同時間尺度上北京市日照時數的變化趨勢分析發(fā)現,1971—2020年北京市年、夏季和秋季日照時數Hurst指數分別為0.973、0.887和0.982,較1923—2020年相差不大,意味著未來變化趨勢具有狀態(tài)持續(xù)性,且持續(xù)強度為“很強”;春季和冬季日照時數Hurst指數分別為0.692和0.680,均低于1923—2020年水平,意味著未來北京市春、冬季日照時數的持續(xù)性強度有所降低,僅為較強等級。近30年北京市年及四季日照時數的Hurst指數分別為0.853、0.560、0.740、0.658和0.591,均低于1971—2020年北京市的Hurst指數,意味著日照時數持續(xù)性強度進一步降低。其中,春季、冬季日照時數的Hurst指數接近0.5,持續(xù)強度為較弱等級,說明從短期來看,未來北京市春季、冬季日照時數變化存在較大的不確定性。

3 結論

利用1923—2020年北京和天津市逐月日照時數資料,分析了近百年北京市日照時數變化及其未來趨勢。主要結論如下:

(1) 1923—2020年北京市年日照時數呈顯著減少趨勢,變化速率為(-22.42±12.89) h/10a;夏、秋和冬季日照時數均呈減少趨勢,夏季減少幅度最大,減少速率為(-12.18±5.38) h/10a;秋季、冬季次之,減少速率分別為(-9.97±4.25) h/10a和(-4.50±4.16) h/10a;春季日照時數則以(4.19±5.31) h/10a的速率呈不顯著增加趨勢。

(2) 1923—2020年北京市年日照時數變化存在56 a(第一主周期)、36 a(第二主周期)周期變化;近百年北京市年日照時數于2000年發(fā)生突變,夏、秋和冬季日照時數突變年份分別為2001年、1992年和1983年,春季未檢測到突變信號。

(3) 未來北京市年和四季日照時數的變化將很大程度地延續(xù)過去變化趨勢,年、夏季和秋季日照時數變化具有很強的持續(xù)性,而春季和冬季日照時數變化的持續(xù)性相對較弱。

與以往研究相比,本文研究時間尺度更長。但是,本文僅分析了1923年以來北京市日照時數的變化速率、周期和突變特征,而北京市日照時數變化原因、影響因素等未涉及,有待于進一步研究。