1960—2019年廣東省日照時數時空變化及其與氣溶膠厚度相關性

黃耀賢 邱建秀

(中山大學地理科學與規劃學院 廣東廣州 510275)

太陽輻射量時空變化是地表能量收支波動的重要指標［1］，影響區域氣候資源的利用及區域自然災害。日照時數是表征太陽輻射強弱的重要氣候指標［2］。有研究表明，全球日照時數呈現逐年降低的趨勢，并稱這種現象為“全球變暗”［1，3-6］。然而，區域的日照時數變化受到多種因素的影響，例如云量、氣溶膠、水汽壓、降水等。分析區域內的日照時數變化規律，對農作物生長、經濟林培育、光伏發電等具有重要參考價值。

在中國，日照時數的時空變化及驅動因素存在顯著的區域差異。任國玉等［7］以全國1956—2002 年日照時數為研究對象，發現全國年平均日照時數總體呈顯著下降的趨勢，華東因受人為排放的氣溶膠影響，為日照時數減少最顯著的地區。何彬方等［8］研究認為，安徽省1955—2005 年日照時數大致呈北高南低分布，日照時數的顯著下降與能見度的下降、大氣水汽壓的增加、年降水量和年降雨日數的增加關系密切。杜軍等［9］采用西藏25 站1971—2005 年日照時數資料分析，認為西藏年日照時數呈極顯著減少的趨勢，其成因主要是大氣水汽壓增大。也有少數地區日照時數呈上升趨勢。劉艷艷等［10］研究認為：黑河中上游年平均和季節平均的日照時數都以上升趨勢為主，其中酒泉、金塔、鼎新一線以北為主要的上升趨勢區；在變化周期方面，黑河流域日照時數變化以12 年周期的振蕩最強。而華維等［11］利用小波分析研究青藏高原近35年日數時數指出，高原東南區、高原中部區、青海北部區和藏西南區存在顯著的16 年周期，而其他地區顯著周期及其年代變化差異較大。以往的研究表明，在過去的幾十年里，我國的日照時數普遍減少，但各地區的降幅有所差異。

針對日照時數時空變化的驅動因子（如氣溶膠、云量），在不同地區也有相應的研究。例如，劉玉英等［12］研究表明，1961—2012 年吉林省年日照時數呈現出顯著減少的年際變化特征，利用相關系數法得出低云量的增加和大氣污染物排放量增加所引起的氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）增加是導致吉林省日照時數減少的主要原因；薛慧［13］基于MODIS影像得出包頭市AOD與日照時數三次多項式擬合模型，二者呈顯著的負相關；彭艷［14］指出，氣溶膠可以直接反射、散射或吸收太陽輻射，1970—2000 年關中地區太陽輻射和日照時數的波動下降趨勢，與氣溶膠增加所造成的直接輻射效應有關；郭軍等［15］指出，天津地區能見度下降可能主要是對流層大氣氣溶膠含量上升的結果，這是造成天津地區日照時數減少的主要原因；俞兆文等［16］利用南京氣象站近50年的日照時數逐日觀測資料反演了南京地區相應年份的AOD，結果表明該地區日照時數與氣溶膠存在較強的相關性。

廣東省是華南地區日照時數和太陽能資源較多的地區之一，探討其在近30 年來快速的城市化進程中，人類活動等因素造成的氣溶膠排放增加對該地區日照時長和光能資源的影響，對該區的新能源高效利用、生態環境政策制定等具有參考價值。鑒于此，本文對廣東省近60 年來的日照時數時空變化規律進行分析，并探討氣溶膠光學厚度對其變化的影響，以期為廣東省氣候變化研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據材料

本文研究區域為廣東省，將其劃分為粵北、粵西、粵東和珠三角4個子區域。日照時數數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/），選取位于廣東省內的25 個國家級氣象觀測站1960—2019 年逐月氣象資料，數據經過質量控制，剔除了缺失數據和異常值4個子區內的氣象觀測站點分布如圖1 所示。氣溶膠厚度數據（MCD19A2 v006） 由 MODIS 藍光波段 （B3） 0.47 μm 的反射率反演得到 （https：//lpdaac.usgs.gov/products/mcd19a2v006/），獲取自Google Earth Engine平臺。

圖1 廣東省內國家級氣象站點空間分布圖

1.2 方法

1.2.1 時序變化分析

研究采用Mann-Kendall （MK）方法進行突變檢驗，分析日照時數的時空變化關鍵節點［17］。MK是一種非參數統計檢驗方法，在時間序列隨機獨立的假設下，構建統計量：

其中，UF1＝0，Var（Sk）、是累積量Sk的方差和均值；UFi為標準正態分布，是按時間序列x1，x2，…，xn計算出的統計量序列，給定顯著性水平α，若UFi＞α，則表明序列有明顯的趨勢變化。計算順序時間序列的秩序列Sk，并按方程計算UFk，計算逆序時間序列的秩序列Sk，也按方程計算出UBk，分析繪出的UFk、UBk曲線，當UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0 則表明呈下降趨勢。當UFk或UBk的值超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk、UBk兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的值便是突變開始的時間。

1.2.2 變化周期分析

利用小波分析開展日照時數的變化周期分析，小波分析是一種源于Fourier變換的分析時間序列能量的局部變化的數學方法［18］。對于給定的小波函數ψ（t），時間序列f（t）的連續小波變換為：

式中：a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為時間因子，反映時間上的平移；Wf（a，b）稱為小波變換系數。由于氣象要素時間序列往往是離散的，即f（t） ＝f（kΔt）（k＝1，2，…，n）； Δt為取樣時間間隔，則f（t） 的離散形式為：

通過增加或減小伸縮尺度a來改變信號窗口大小進而得到信號的低頻或高頻信息，分析信號的細節，識別氣象多時間尺度演變特征和突變特征。

采用反距離權重法對日照時數進行空間插值，得到全省日照時數的空間分布［19-20］。

2 結果與分析

2.1 日照時數時間變化特征

由年平均日照時數M-K突變檢驗分析結果（圖2）可知，珠三角、粵東、粵北、粵西地區及全省趨勢相似，存在明顯的突變現象，突變年份分別為1980、1970、1970、1972和1972年。

圖2 1960—2019年廣東省年平均日照時數M-K突變檢驗

對廣東省年日照時數進行趨勢分析和5年滑動平均分析，結果如圖3 所示，近60 年研究期平均日照時數呈極顯著下降趨勢（p＜0.01），下降速率為-46.8 h/10a，平均日照時數為1 828.5 h，最大值（2 343.0 h）出現在1963 年，最小值 （1 563.0 h）出現在2016 年。據5 年滑動平均曲線，平均日照時數在20世紀60年代初至80年代初顯著下降，90 年代末短暫回升，之后呈波動下降態勢。80年代初至21世紀10年代處于日照時數低值期。

表1是各子區域日照時數統計特征值。1960—2019 年，珠三角地區日照時數以-57.8 h/10a 的向率呈極顯著（p＜0.01）的遞減趨勢，且于1980 年發生了突變，突變后年均日照時數較突變前減少了204.9 h。此外，粵東、粵北和粵西3 個子區的日照時數以極顯著（p＜0.01）的遞減趨勢，傾向率分別為-34.4、-48.4 和-40.9 h/10a，其中粵北地區的年均日照時數在突變前后的降幅最大（13.9%）。總體而言，廣東省在日照時長方面“變暗”趨勢十分顯著。

表1 1960—2019年廣東省日照時數突變前、后多年平均值及其變化量

據廣東省春季日照時數變化曲線（圖3-a），1960—2019 年，廣東省春季日照時數以-10.5 h/10a 的傾向率呈顯著（p＜0.05）的遞減趨勢，近60年呈現上升-下降-上升-下降的波動趨勢，60年代初起可觀察到一段持續20 年左右的下降趨勢，對研究期內廣東省春季“變暗”貢獻明顯。夏季日照時數以-13.5 h/10a 的傾向率呈極顯著（p＜0.01）的遞減趨勢，平均值為581.7 h（圖3-b），總體呈現波動下降后略回升的變化趨勢，波谷位于1996 年前后，沒有明顯的波峰。秋季日照時數以-10.1 h/10 a 的傾向率呈顯著（p＜0.05）的遞減趨勢（圖3-c），在70 年代中期至90 年代初波動較大，波峰波谷交替出現，隨后沒有出現上升趨勢。冬季日照時數傾向率為-10.1 h/10a，但沒有通過0.05 顯著性水平檢驗，冬季日照時數研究期內較平穩下降，沒有明顯的波峰波谷。由此可見夏季日照時數下降最快也最為顯著，其次是春季、秋季和冬季。

圖3 廣東省日照時數年際變化曲線

表2所示是廣東省年代際平均日照時數變化特征。全省日照時數由20世紀60年代至90年代逐代遞減，21 世紀00 年代有所回升，10 年代降至研究時段內最低水平。20 世紀60 年代變差系數為最大值，表明該年代日照時數充足，同時年際波動也較明顯。春季日照時數的最大值為60 年代的394.8 h，到80 年代遞減至274.0 h，90 年代和21世紀10 年代又出現小幅增加，10 年代再度減少至低于平均值；變差系數僅70 年代超過60 年來平均值，最小值在80 年代，可知80 年代春季平均日照時數較少且波動平穩。夏季日照時數年代際變化總體呈波動下降，60 年代平均值最大，90 年代最小但變差系數最大，可見夏季日照時數在90 年代降至較低水平，年際波動明顯。秋季年代際日照時數最大值也出現在60 年代，最小值為21 世紀10年代，相差74.3 h，70 年代至90 年代穩定少變。冬季年代際日照時數最大值仍出現在60 年代，同時變差系數也最大，表明此階段日照平均時數充足但是年際波動也較大。

表2 廣東省平均日照時數年代際統計表

2.2 日照時數空間變化特征

圖4 展示的是年平均日照時數的空間分布特征。可見廣東省日照時數空間分布大致由南部沿海向北部內陸遞減，其中以粵西的徐聞-電白、粵東的汕頭-汕尾-惠來兩個區域為日照時數高值區，年平均值均超過2 000 h；而日照時數低值區包括粵北連縣-佛崗-韶關-連平珠三角的廣寧（因其靠近粵北南嶺山脈而與粵北低值區呈現相似性）和廣州站（年平均值均＜1 700 h）。廣東省全省日照時數在研究時段初期（即20 世紀60 年代）整體處于高值時期，至90 年代逐年代遞減，21 世紀初有所回升，與已有研究［21］結論相符。

圖4 廣東省日照時數空間分布

圖5反映出廣東省日照時數變化傾向率空間分布，可見全省大部分地區呈顯著下降趨勢，僅粵東的惠來站點地區傾向率為正值，但未通過0.05顯著性檢驗。在下降速率方面，位于珠三角核心片區的廣州-增城-惠陽-深圳為下降速率最快的地區（下降速率超過-7 h/a），并通過0.01 的極顯著檢驗；粵西的羅定-陽江也為日照時數降低較明顯的區域，其下降速率超過-6 h/a，同樣通過0.01的極顯著性檢驗。

圖5 廣東省1960—2019年日照時數變化趨勢空間分布

廣東省季節性日照時數空間分布（圖6）也展現出由南部沿海向北部內陸遞減的規律，夏、秋兩季為日照時數高值季。位于粵西雷州半島的徐聞站點為高值站點，與湛江、電白站點組成雷州半島日照時數高值片區；另一高值片區為汕頭-惠來-汕尾站點的粵東潮汕片區。而粵北地區位于南嶺山脈的連縣-韶關-南雄站點為日照時數低值片區。在春季，低值片區擴大至廣州、增城站點所在的珠三角腹地。已有的文獻［22-24］表明，觀測到的這一空間分布規律可能與城市發展生產與人類生產排放的氣溶膠有關，氣溶膠增強大氣對太陽光的反射和吸收作用，使到達地面的太陽輻射減少，從而造成日照時數減少［25-26］。

圖6 廣東省1960—2019年季節性日照時數空間分布

2.3 日照時數變化周期

對1960—2019 年廣東省年平均日照時數進行Morlet 小波變換（圖7），得到了小波系數實部等值線（圖7-a），以分析不同時間尺度日照時數的周期變化［27］。研究時段內廣東省年平均日照時數存在的 25～32 年、11～12 年以及 5～6 年這 3 類尺度的周期變化規律。由于本研究獲取的時間序列長度有限，故25～32 年周期的可信度需要在未來獲取更長時序的日照時數觀測后，進一步探討。

由小波系數模方等值線（圖7-b）可見，11～12 年和5～6 年的時間尺度周期變化不明顯，周期性較弱。小波方差圖（圖7-c）展示3 個較為明顯的峰值，分別對應28 年、11 年和6 年的時間尺度。圖7-d、7-e和7-f分別展示廣東省日照時數3個周期的小波系數。其中，11 年時間尺度上，平均變化周期為7.1 年左右，經歷了8.5 個高值-低值的交替變化，而6 年尺度的變化周期相位較為雜亂，交替規律不明顯。

圖7 廣東省年平均日照時數Morlet小波變換

2.4 日照時數與氣溶膠厚度（AOD）相關性

我國氣象臺站日照時數觀測主要是使用康培爾·斯托克日照儀，這種儀器依靠太陽光照到筒內涂有感光劑的感光紙上的感光跡線來計時，大氣氣溶膠削弱到達地表的太陽直接輻射，從而使得記錄到的日照時數減少［15］。為定量分析大氣中氣溶膠含量對廣東省日照時數變化的影響，分析2000—2019 年廣東省氣溶膠厚度（AOD）的空間分布規律（圖8）。其中粵東和粵西地區AOD多年平均值較小，而粵北與珠三角地區AOD多年平均值較大，約為0.58。珠三角地區由于地勢平坦、人口密集、城鎮化發展進程較快，人為源氣溶膠顆粒排放量較多，造成該區AOD均值較高；而粵北南嶺山區的大氣揮發性有機物（Volatile organic compounds，VOCs）的轉化程度較高［28］，VOCs是生成二次有機氣溶膠的重要前體物［29-30］，是該區AOD均值較高的可能原因。

圖8 廣東省2000—2019年平均AOD空間分布

對比日照時數變化趨勢空間分布（圖5）可知，日照時數劇烈減少地區與AOD高值區具有較好的重合度，如珠三角站點廣寧、廣州、佛崗，粵北的南雄、連縣、東源等站點均落在AOD高值區內，同時AOD低值區也與日照時數增高的站點在空間分布上較為吻合，初步證實AOD對日照時數的影響。

進一步定量分析AOD與日照時數在年尺度上的相關關系。珠三角、粵東、粵北和粵西地區的樣本數分別為160、120、120 和100，在剔除異常值后，擬合模型如圖9 所示。珠三角、粵東、粵北、粵西地區和全省日照時數與AOD均呈負相關關系，相關系數分別為-0.23、-0.22、-0.21、-0.42 和-0.39，其中珠三角、粵西地區和全省通過0.01極顯著性檢驗，粵東和粵北地區通過0.05 顯著性檢驗。

圖9 廣東省2000—2019年AOD與日照時數關系

3 結論

利用1960—2019 年廣東省25 個國家級氣象觀測站的逐日日照時數資料，基于Mann-Kendall 突變檢驗法、趨勢分析法和小波分析等方法分析了廣東省近60 年來日照時數時空變化特征，并利用氣溶膠厚度（AOD）數據，分析日照時數與其相關性，得到如下結論：

（1）區域內的年際日照時數都有顯著縮短的趨勢，1972 年是廣東省日照時數縮短的轉折點，珠三角、粵東、粵北和粵西地區轉折點分別為1980、1970、1970和1972年；春季、夏季、秋季、冬季日照時數下降速率分別為-10.5、-13.5、-10.1、-10.1 h/10a，夏季日照在過去60 年減少最為顯著；年代際變化方面，春季和冬季波動較大，夏季和秋季相對穩定。

（2）小波周期分析表明，日照時數以11年和6年為周期出現交替變化，11年的周期具有7.5個高值-低值的交替變化，平均變化周期為7.1年左右；28 年左右的周期有待未來獲取更長時序進一步討論。

（3）從空間分布看，日照時數呈現由南向北的遞減趨勢，區內最高值在粵西徐聞，最低值在粵北連縣；日照時數變化速率方面，有珠三角廣州-增城-惠陽-深圳地區和粵西羅定-陽江地區兩個減速最快區；夏、秋兩季為日照時數高值季，春、冬兩季為低值季，春季廣州站點日照時數明顯偏少。

（4）廣東省AOD平均高值區為珠三角地區和粵北地區，分別為0.58 和0.57；AOD 高值區在空間分布上與日照時數較低站點如廣寧、廣州、佛崗、連縣和韶關較吻合。省內日照時數與AOD總體呈顯著負相關關系，相關系數為-0.39，且通過0.05顯著性檢驗。