1960—2019年广东省日照时数时空变化及其与气溶胶厚度相关性

黄耀贤 邱建秀

(中山大学地理科学与规划学院 广东广州 510275)

太阳辐射量时空变化是地表能量收支波动的重要指标［1］，影响区域气候资源的利用及区域自然灾害。日照时数是表征太阳辐射强弱的重要气候指标［2］。有研究表明，全球日照时数呈现逐年降低的趋势，并称这种现象为“全球变暗”［1，3-6］。然而，区域的日照时数变化受到多种因素的影响，例如云量、气溶胶、水汽压、降水等。分析区域内的日照时数变化规律，对农作物生长、经济林培育、光伏发电等具有重要参考价值。

在中国，日照时数的时空变化及驱动因素存在显著的区域差异。任国玉等［7］以全国1956—2002 年日照时数为研究对象，发现全国年平均日照时数总体呈显著下降的趋势，华东因受人为排放的气溶胶影响，为日照时数减少最显著的地区。何彬方等［8］研究认为，安徽省1955—2005 年日照时数大致呈北高南低分布，日照时数的显著下降与能见度的下降、大气水汽压的增加、年降水量和年降雨日数的增加关系密切。杜军等［9］采用西藏25 站1971—2005 年日照时数资料分析，认为西藏年日照时数呈极显著减少的趋势，其成因主要是大气水汽压增大。也有少数地区日照时数呈上升趋势。刘艳艳等［10］研究认为：黑河中上游年平均和季节平均的日照时数都以上升趋势为主，其中酒泉、金塔、鼎新一线以北为主要的上升趋势区；在变化周期方面，黑河流域日照时数变化以12 年周期的振荡最强。而华维等［11］利用小波分析研究青藏高原近35年日数时数指出，高原东南区、高原中部区、青海北部区和藏西南区存在显著的16 年周期，而其他地区显著周期及其年代变化差异较大。以往的研究表明，在过去的几十年里，我国的日照时数普遍减少，但各地区的降幅有所差异。

针对日照时数时空变化的驱动因子（如气溶胶、云量），在不同地区也有相应的研究。例如，刘玉英等［12］研究表明，1961—2012 年吉林省年日照时数呈现出显著减少的年际变化特征，利用相关系数法得出低云量的增加和大气污染物排放量增加所引起的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）增加是导致吉林省日照时数减少的主要原因；薛慧［13］基于MODIS影像得出包头市AOD与日照时数三次多项式拟合模型，二者呈显著的负相关；彭艳［14］指出，气溶胶可以直接反射、散射或吸收太阳辐射，1970—2000 年关中地区太阳辐射和日照时数的波动下降趋势，与气溶胶增加所造成的直接辐射效应有关；郭军等［15］指出，天津地区能见度下降可能主要是对流层大气气溶胶含量上升的结果，这是造成天津地区日照时数减少的主要原因；俞兆文等［16］利用南京气象站近50年的日照时数逐日观测资料反演了南京地区相应年份的AOD，结果表明该地区日照时数与气溶胶存在较强的相关性。

广东省是华南地区日照时数和太阳能资源较多的地区之一，探讨其在近30 年来快速的城市化进程中，人类活动等因素造成的气溶胶排放增加对该地区日照时长和光能资源的影响，对该区的新能源高效利用、生态环境政策制定等具有参考价值。鉴于此，本文对广东省近60 年来的日照时数时空变化规律进行分析，并探讨气溶胶光学厚度对其变化的影响，以期为广东省气候变化研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据材料

本文研究区域为广东省，将其划分为粤北、粤西、粤东和珠三角4个子区域。日照时数数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），选取位于广东省内的25 个国家级气象观测站1960—2019 年逐月气象资料，数据经过质量控制，剔除了缺失数据和异常值4个子区内的气象观测站点分布如图1 所示。气溶胶厚度数据（MCD19A2 v006） 由 MODIS 蓝光波段 （B3） 0.47 µm 的反射率反演得到 （https：//lpdaac.usgs.gov/products/mcd19a2v006/），获取自Google Earth Engine平台。

图1 广东省内国家级气象站点空间分布图

1.2 方法

1.2.1 时序变化分析

研究采用Mann-Kendall （MK）方法进行突变检验，分析日照时数的时空变化关键节点［17］。MK是一种非参数统计检验方法，在时间序列随机独立的假设下，构建统计量：

其中，UF1＝0，Var（Sk）、是累积量Sk的方差和均值；UFi为标准正态分布，是按时间序列x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α，若UFi＞α，则表明序列有明显的趋势变化。计算顺序时间序列的秩序列Sk，并按方程计算UFk，计算逆序时间序列的秩序列Sk，也按方程计算出UBk，分析绘出的UFk、UBk曲线，当UFk或UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0 则表明呈下降趋势。当UFk或UBk的值超过临界线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk、UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的值便是突变开始的时间。

1.2.2 变化周期分析

利用小波分析开展日照时数的变化周期分析，小波分析是一种源于Fourier变换的分析时间序列能量的局部变化的数学方法［18］。对于给定的小波函数ψ（t），时间序列f（t）的连续小波变换为：

式中：a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为时间因子，反映时间上的平移；Wf（a，b）称为小波变换系数。由于气象要素时间序列往往是离散的，即f（t） ＝f（kΔt）（k＝1，2，…，n）； Δt为取样时间间隔，则f（t） 的离散形式为：

通过增加或减小伸缩尺度a来改变信号窗口大小进而得到信号的低频或高频信息，分析信号的细节，识别气象多时间尺度演变特征和突变特征。

采用反距离权重法对日照时数进行空间插值，得到全省日照时数的空间分布［19-20］。

2 结果与分析

2.1 日照时数时间变化特征

由年平均日照时数M-K突变检验分析结果（图2）可知，珠三角、粤东、粤北、粤西地区及全省趋势相似，存在明显的突变现象，突变年份分别为1980、1970、1970、1972和1972年。

图2 1960—2019年广东省年平均日照时数M-K突变检验

对广东省年日照时数进行趋势分析和5年滑动平均分析，结果如图3 所示，近60 年研究期平均日照时数呈极显著下降趋势（p＜0.01），下降速率为-46.8 h/10a，平均日照时数为1 828.5 h，最大值（2 343.0 h）出现在1963 年，最小值 （1 563.0 h）出现在2016 年。据5 年滑动平均曲线，平均日照时数在20世纪60年代初至80年代初显著下降，90 年代末短暂回升，之后呈波动下降态势。80年代初至21世纪10年代处于日照时数低值期。

表1是各子区域日照时数统计特征值。1960—2019 年，珠三角地区日照时数以-57.8 h/10a 的向率呈极显著（p＜0.01）的递减趋势，且于1980 年发生了突变，突变后年均日照时数较突变前减少了204.9 h。此外，粤东、粤北和粤西3 个子区的日照时数以极显著（p＜0.01）的递减趋势，倾向率分别为-34.4、-48.4 和-40.9 h/10a，其中粤北地区的年均日照时数在突变前后的降幅最大（13.9%）。总体而言，广东省在日照时长方面“变暗”趋势十分显著。

表1 1960—2019年广东省日照时数突变前、后多年平均值及其变化量

据广东省春季日照时数变化曲线（图3-a），1960—2019 年，广东省春季日照时数以-10.5 h/10a 的倾向率呈显著（p＜0.05）的递减趋势，近60年呈现上升-下降-上升-下降的波动趋势，60年代初起可观察到一段持续20 年左右的下降趋势，对研究期内广东省春季“变暗”贡献明显。夏季日照时数以-13.5 h/10a 的倾向率呈极显著（p＜0.01）的递减趋势，平均值为581.7 h（图3-b），总体呈现波动下降后略回升的变化趋势，波谷位于1996 年前后，没有明显的波峰。秋季日照时数以-10.1 h/10 a 的倾向率呈显著（p＜0.05）的递减趋势（图3-c），在70 年代中期至90 年代初波动较大，波峰波谷交替出现，随后没有出现上升趋势。冬季日照时数倾向率为-10.1 h/10a，但没有通过0.05 显著性水平检验，冬季日照时数研究期内较平稳下降，没有明显的波峰波谷。由此可见夏季日照时数下降最快也最为显著，其次是春季、秋季和冬季。

图3 广东省日照时数年际变化曲线

表2所示是广东省年代际平均日照时数变化特征。全省日照时数由20世纪60年代至90年代逐代递减，21 世纪00 年代有所回升，10 年代降至研究时段内最低水平。20 世纪60 年代变差系数为最大值，表明该年代日照时数充足，同时年际波动也较明显。春季日照时数的最大值为60 年代的394.8 h，到80 年代递减至274.0 h，90 年代和21世纪10 年代又出现小幅增加，10 年代再度减少至低于平均值；变差系数仅70 年代超过60 年来平均值，最小值在80 年代，可知80 年代春季平均日照时数较少且波动平稳。夏季日照时数年代际变化总体呈波动下降，60 年代平均值最大，90 年代最小但变差系数最大，可见夏季日照时数在90 年代降至较低水平，年际波动明显。秋季年代际日照时数最大值也出现在60 年代，最小值为21 世纪10年代，相差74.3 h，70 年代至90 年代稳定少变。冬季年代际日照时数最大值仍出现在60 年代，同时变差系数也最大，表明此阶段日照平均时数充足但是年际波动也较大。

表2 广东省平均日照时数年代际统计表

2.2 日照时数空间变化特征

图4 展示的是年平均日照时数的空间分布特征。可见广东省日照时数空间分布大致由南部沿海向北部内陆递减，其中以粤西的徐闻-电白、粤东的汕头-汕尾-惠来两个区域为日照时数高值区，年平均值均超过2 000 h；而日照时数低值区包括粤北连县-佛岗-韶关-连平珠三角的广宁（因其靠近粤北南岭山脉而与粤北低值区呈现相似性）和广州站（年平均值均＜1 700 h）。广东省全省日照时数在研究时段初期（即20 世纪60 年代）整体处于高值时期，至90 年代逐年代递减，21 世纪初有所回升，与已有研究［21］结论相符。

图4 广东省日照时数空间分布

图5反映出广东省日照时数变化倾向率空间分布，可见全省大部分地区呈显著下降趋势，仅粤东的惠来站点地区倾向率为正值，但未通过0.05显著性检验。在下降速率方面，位于珠三角核心片区的广州-增城-惠阳-深圳为下降速率最快的地区（下降速率超过-7 h/a），并通过0.01 的极显著检验；粤西的罗定-阳江也为日照时数降低较明显的区域，其下降速率超过-6 h/a，同样通过0.01的极显著性检验。

图5 广东省1960—2019年日照时数变化趋势空间分布

广东省季节性日照时数空间分布（图6）也展现出由南部沿海向北部内陆递减的规律，夏、秋两季为日照时数高值季。位于粤西雷州半岛的徐闻站点为高值站点，与湛江、电白站点组成雷州半岛日照时数高值片区；另一高值片区为汕头-惠来-汕尾站点的粤东潮汕片区。而粤北地区位于南岭山脉的连县-韶关-南雄站点为日照时数低值片区。在春季，低值片区扩大至广州、增城站点所在的珠三角腹地。已有的文献［22-24］表明，观测到的这一空间分布规律可能与城市发展生产与人类生产排放的气溶胶有关，气溶胶增强大气对太阳光的反射和吸收作用，使到达地面的太阳辐射减少，从而造成日照时数减少［25-26］。

图6 广东省1960—2019年季节性日照时数空间分布

2.3 日照时数变化周期

对1960—2019 年广东省年平均日照时数进行Morlet 小波变换（图7），得到了小波系数实部等值线（图7-a），以分析不同时间尺度日照时数的周期变化［27］。研究时段内广东省年平均日照时数存在的 25～32 年、11～12 年以及 5～6 年这 3 类尺度的周期变化规律。由于本研究获取的时间序列长度有限，故25～32 年周期的可信度需要在未来获取更长时序的日照时数观测后，进一步探讨。

由小波系数模方等值线（图7-b）可见，11～12 年和5～6 年的时间尺度周期变化不明显，周期性较弱。小波方差图（图7-c）展示3 个较为明显的峰值，分别对应28 年、11 年和6 年的时间尺度。图7-d、7-e和7-f分别展示广东省日照时数3个周期的小波系数。其中，11 年时间尺度上，平均变化周期为7.1 年左右，经历了8.5 个高值-低值的交替变化，而6 年尺度的变化周期相位较为杂乱，交替规律不明显。

图7 广东省年平均日照时数Morlet小波变换

2.4 日照时数与气溶胶厚度（AOD）相关性

我国气象台站日照时数观测主要是使用康培尔·斯托克日照仪，这种仪器依靠太阳光照到筒内涂有感光剂的感光纸上的感光迹线来计时，大气气溶胶削弱到达地表的太阳直接辐射，从而使得记录到的日照时数减少［15］。为定量分析大气中气溶胶含量对广东省日照时数变化的影响，分析2000—2019 年广东省气溶胶厚度（AOD）的空间分布规律（图8）。其中粤东和粤西地区AOD多年平均值较小，而粤北与珠三角地区AOD多年平均值较大，约为0.58。珠三角地区由于地势平坦、人口密集、城镇化发展进程较快，人为源气溶胶颗粒排放量较多，造成该区AOD均值较高；而粤北南岭山区的大气挥发性有机物（Volatile organic compounds，VOCs）的转化程度较高［28］，VOCs是生成二次有机气溶胶的重要前体物［29-30］，是该区AOD均值较高的可能原因。

图8 广东省2000—2019年平均AOD空间分布

对比日照时数变化趋势空间分布（图5）可知，日照时数剧烈减少地区与AOD高值区具有较好的重合度，如珠三角站点广宁、广州、佛岗，粤北的南雄、连县、东源等站点均落在AOD高值区内，同时AOD低值区也与日照时数增高的站点在空间分布上较为吻合，初步证实AOD对日照时数的影响。

进一步定量分析AOD与日照时数在年尺度上的相关关系。珠三角、粤东、粤北和粤西地区的样本数分别为160、120、120 和100，在剔除异常值后，拟合模型如图9 所示。珠三角、粤东、粤北、粤西地区和全省日照时数与AOD均呈负相关关系，相关系数分别为-0.23、-0.22、-0.21、-0.42 和-0.39，其中珠三角、粤西地区和全省通过0.01极显著性检验，粤东和粤北地区通过0.05 显著性检验。

图9 广东省2000—2019年AOD与日照时数关系

3 结论

利用1960—2019 年广东省25 个国家级气象观测站的逐日日照时数资料，基于Mann-Kendall 突变检验法、趋势分析法和小波分析等方法分析了广东省近60 年来日照时数时空变化特征，并利用气溶胶厚度（AOD）数据，分析日照时数与其相关性，得到如下结论：

（1）区域内的年际日照时数都有显著缩短的趋势，1972 年是广东省日照时数缩短的转折点，珠三角、粤东、粤北和粤西地区转折点分别为1980、1970、1970和1972年；春季、夏季、秋季、冬季日照时数下降速率分别为-10.5、-13.5、-10.1、-10.1 h/10a，夏季日照在过去60 年减少最为显著；年代际变化方面，春季和冬季波动较大，夏季和秋季相对稳定。

（2）小波周期分析表明，日照时数以11年和6年为周期出现交替变化，11年的周期具有7.5个高值-低值的交替变化，平均变化周期为7.1年左右；28 年左右的周期有待未来获取更长时序进一步讨论。

（3）从空间分布看，日照时数呈现由南向北的递减趋势，区内最高值在粤西徐闻，最低值在粤北连县；日照时数变化速率方面，有珠三角广州-增城-惠阳-深圳地区和粤西罗定-阳江地区两个减速最快区；夏、秋两季为日照时数高值季，春、冬两季为低值季，春季广州站点日照时数明显偏少。

（4）广东省AOD平均高值区为珠三角地区和粤北地区，分别为0.58 和0.57；AOD 高值区在空间分布上与日照时数较低站点如广宁、广州、佛岗、连县和韶关较吻合。省内日照时数与AOD总体呈显著负相关关系，相关系数为-0.39，且通过0.05显著性检验。