石島日照時數氣候特征分析

林修棟，王 娜，張瑜潔

(1.山東省石島氣象臺，山東石島 264309;2.煙臺市海洋環境監測預報中心，山東煙臺 264003;3.山東省煙臺市氣象局，山東煙臺 264003)

日照表示一個地區接受太陽光照射的情況，是地區氣候形成的重要要素［1］。日照時數是決定一個地區氣候特征的重要氣象因子，而目前針對石島氣候資料的研究較少。因此研究日照的時間分布規律，對了解當地的氣候特征具有重要的意義。筆者利用石島氣象站1981～2010年逐月日照時數資料，采用常規統計和小波變換等方法，對石島近30年日照時數的變化規律和特征進行分析。

1 資料和方法

1.1 資料來源 測定日照時數的儀器有暗筒式(又名喬唐式)日照計和聚焦式(又名康培司托克式)日照計。在此測定日照時數儀器為暗筒式，資料時間為1981～2010年，四季為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月～次年2月)，其中月、季度資料均來源于石島國家氣象觀測站實地測量的日資料加權獲得。

1.2 分析方法 小波分析是當前應用數學和工程學科中一個迅速發展的新領域，聯系了應用數學、物理學、計算機科學、信號與信息處理、圖像處理、地震勘探等多個學科。它不僅能反映信號在時頻域上的總體特征，還能提供局部化的信息，既可給出信號變化的時間尺度，也可以顯示出信號變化的時間位置，還具有對突變點的診斷能力。小波分析能將氣象時間序列曲線分解成交織在一起的多尺度成分，并對不同尺度成分采用相應粗細的時域取樣步長，從而能不斷聚焦到曲線的任意細節［2－3］。由于上述特點，小波分析已在信號分析、語音合成、圖像識別、計算機視覺、數據壓縮、地震勘探、大氣與海洋波分析等方面均取得了有科學意義和應用價值的研究成果，在氣候變化分析和氣候預測方面也有許多成功的例子。根據魏鳳英研究［4］，可對小波進行放大分析，找出局部結構特征和突變信號，從平面圖上可以判斷序列存在的顯著周期，并可以利用小波方差診斷出某一周期的最強振動。

2 結果與分析

2.1 日照時數年際變化特征 石島年總日照時數平均為2 510.7 h，月平均日照時數209.2 h，日平均日照時數為6.9 h。從近30年年均日照時數年際變化(圖1a)可以看出，在1997年出現了近30年的最大值，隨后在1998年出現了低值，但在1999～2000年又出現了較高值，與此相對應的是山東半島的20世紀末大旱。20世紀80～90年代年均日照時數呈上升趨勢，而進入21世紀年均日照時數下降明顯，其幅度超過了20世紀后20年的上升值，其中2008年為近30年年均日照時數的最小值。近30年石島年日照時數呈下降趨勢，氣候傾向率為－14.1 h/10a。

圖1 1981～2010年石島年均日照時數年際變化趨勢(a)和小波分析(b)

從近30年年均日照時數的小波分析(圖1b)可以看出，在年際時間變化尺度上，年日照時數偏多、偏少期交替出現，前期存在比較明顯的3年左右的時間尺度周期，后期存在明顯的18年左右的時間尺度周期，序列的突變點在出現1998年;2010年的等值線未閉合，說明未來仍將處于日照偏少期。

2.2 日照時數月變化特征 從近30年石島各月日照時數平均值分布趨勢(圖2)可以看出，石島日照時數變化年內為雙峰型，最大值出現在5月，次大值出現4和10月，最小值在7月，這主要是在進入5月份后處于當地的汛期(5～9月)，陰雨天氣增多，直到7月份達到最低，然后隨著時間推移，日照時數增多，進入冬季，受太陽入射緯度角影響，12月～次年2月為全年最低區間，進入春季后，又逐漸增多，直到5月份到達最高。

圖2 1981～2010年石島日照時數月變化

2.3 日照時數季節變化特征 由圖3可見，近30年石島春、夏、秋、冬四季日照時數的氣候傾向率分別為11.2、－28.9、－28.3、7.6 h/10a，可見春季和冬季的日照時數均呈增多趨勢，夏季和秋季的日照時數呈減少趨勢，春季較冬季增加的明顯，夏季較秋季減少的明顯。

圖3 1981～2010年石島春、夏、秋、冬四季日照時數逐年變化

2.3.1 春季。5年滑動平均線表明，近30年石島春季日照時數呈總體增多、階段性變化，基本為1981～1991年總體偏少、1992～2002年總體偏多、2003～2010年總體偏少的少－多－少趨勢;10年滑動平均線表明，1994年以后春季日照時數進入增多趨勢。從春季日照時數距平的小波變換圖(圖4a)可以看出，春季30年時間尺度的偏多、偏少日照時數年交替出現，在16～18年時間尺度上，其周期變換呈少－多－少－多－少趨勢，在1997年之前5～7年時間尺度存在正負閉合中心交替出現的特征，對應的2個偏少日照時數階段為1981～1985和1989～1990年，偏多日照日數階段為1986～1988和1991～1997年，其突變點在1994年;1997年之后表現為4～5年時間尺度左右的周期。2010年后等值線基本閉合，表明春季日照時數將逐漸進入近期偏少、總體偏多期。

圖41981～2010年石島春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)日照時數距平小波分析

2.3.2 夏季。5年滑動平均線表明，近30年石島夏季日照時數呈基本震蕩減少的趨勢，在1998年后有所增加，但進入2004年又開始減少;10年滑動平均線表明，2007年之后夏季日照時數明顯減少。夏季日照時數距平的小波變換(圖4b)顯示，在8～11年時間尺度上，1998年以前總體偏少明顯;1987年以前存在5～7年的周期，之后有所上移，之后的周期基本為8～10年，對應的日照時數階段為1983年以前偏多、1984～1987年偏少、1988～1992年偏多、1993～1996年偏少、1997～2002年明顯偏多、2003～2005年偏少，且2003年之后存在一個6年左右的周期，突變點在2004年。進入2010年后等值線尚未閉合，表明夏季日照時數將逐漸進入近期偏少、總體偏少期。

2.3.3 秋季。5年滑動平均線表明，近30年石島秋季日照時數呈基本震蕩減少的趨勢。秋季與夏季的日照時數走勢比較接近。秋季日照時數在1997年后有所增加，進入2003年又開始減少。10年滑動平均線表明，2006年之后秋季日照時數明顯減少。從秋季日照時數距平的小波變換圖(圖4c)可以看出，在1986年以前存在6～7年的周期，之后周期基本在2～3年，對應的日照時數階段為1983年以前偏多、1984～1987年偏少、1988～1998年偏多偏少年交替出現但總體偏少，1999～2002年偏多較明顯，進入2003年后偏少明顯，直至2010年等值線仍未閉合，表明秋季日照時數將逐漸進入近期明顯偏少、總體偏少期。

2.3.4 冬季。5年滑動平均線表明，近30年石島冬季日照時數在1995年后有增加趨勢，到2004年開始減少。10年滑動平均線與5年滑動平均線接近。由冬季日照時數距平的小波變換圖(圖4d)可見，在14～16年尺度基本為少－多－少的趨勢，對應的日照時數階段為1981～1994年偏少;1995～2004年顯著偏多、2004～2010年偏少;在5～7年時間尺度存在著少－多－少－多－少－多－少的趨勢，分別對應著1981 ～1982、1983、1984 ～1985、1986、1987 ～1994、1995 ～2004和2005～2010年。2010年的曲線在下方閉合，表明在14～16年上冬季日照時數仍處于近期偏少、總體偏多期，在5～7年上冬季日照時數將逐漸進入近期偏多、總體偏多期。

3 結論

(1)1981～2010年石島日照時數年際變化較大，20世紀80～90年代年均日照時數呈上升趨勢，而進入21世紀年均日照時數下降明顯，其幅度超過了20世紀后20年的上升值;近30年石島年日照時數總體呈下降趨勢，其氣候傾向率為－14.1 h/10a;未來一段時間日照時數仍處于偏少期。

(2)石島日照時數年內變化為雙峰型，最大值出現在5月，次大值出現4和10月，最小值在7月。

(3)石島日照時數季節呈階段性變化，春季在1997年前存在16～18、5～7年的變化，之后存在4～5年的變化;夏季整體存在8～11年的周期變化，在1987年前為5～7年，1988～2003年為8～10年，2003年之后存在一個6年左右的周期;秋季在1986年以前存在6～7年的周期，之后周期基本在2～3年;冬季存在14～16和5～7年周期變化。

［1］陸忠艷，周軍，邱新法，等.可照時間受地形的影響及其精細的空間分布［J］.南京氣象學院學報，2005(1):64 －71.

［2］孫延奎.小波分析及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［3］秦前清，宗凱.實用小波分析［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1994.

［4］魏鳳英.氣候統計診斷與預測方法研究進展［J］.應用氣象學報，2006，17(6):736－742.