近百年北京市日照时数变化特征及其未来趋势

闫军辉, 魏 然, 王 娟, 计舒怀, 王黎明, 吕金金, 李雪婷, 李 洁

(1. 信阳师范大学 a. 地理科学学院; b. 气候与环境演变重点实验室; c. 计算机与信息技术学院, 河南 信阳 464000; 2. 陕西省气候中心, 陕西 西安 710014; 3. 信阳市气象局, 河南 信阳 464000)

0 引言

IPCC第六次评估报告(AR6)指出,相较于工业化前水平(1850—1900年),2011—2020年全球表面温度升高约为1.09 ℃[1]。全球温度普遍升高导致大气物理和化学结构发生变化,进而对气候系统造成影响[2]。作为表征气候系统变化的要素之一,日照时数是衡量光照条件优劣和热量大小的重要指标,与生物的生长发育和人类生产生活密切相关,因而受到各国政府和科学界的广泛关注。研究者已对日照时数时空变化和影响因素进行了大量的研究。结果表明,20世纪50年代以来,我国日照时数总体呈减少趋势[3],但存在区域差异:华北[4]、华东[5]、青藏高原北部和中东部地区[6]的日照时数呈减少趋势,而东北北部[7]和西北部分地区[8]日照时数却呈增加趋势。也有学者分析了日照时数的周期与突变特征,认为中国年日照时数存在12～15 a时间尺度的周期振荡,并于1981年发生突变[9]。区域上,西北、东北和西南地区均于20世纪80年代发生突变,其他地区突变信号不明显[10]。还有学者对日照时数影响因素进行了研究,认为气溶胶和总云量是导致日照时数变化的主要因素[11]。除此之外,日照时数还与风速、降水量等存在密切关系[10]。

尽管对日照时数已经有了大量研究,但与气温[12-14]、降水[15]等其他要素相比,这些研究的时间尺度多集中于过去几十年,百年尺度日照时数的研究相对较少,有关日照时数未来趋势的研究也不多见。此外,日照时数变化在不同空间尺度上的表现存在差异,相较于全球尺度,区域尺度的日照时数变化对局地影响更为重要和直接,因此开展典型区域日照时数变化研究具有重要意义。北京市位于华北平原北部,北靠燕山山脉,西倚太行山脉,属黄土高原、内蒙古高原向华北平原的过渡地带,地理位置敏感而复杂。同时,北京市在很长历史时期内作为我国政治、文化中心,其开发强度大、发展速度高,人口密度的快速增加和城市化水平的提高也使得该地生态环境脆弱,对其社会经济发展造成一定影响。基于此,拟利用1923—2020年北京市逐月日照时数资料,分析近百年北京市日照时数变化特征及其未来趋势,旨在从更长时间尺度上揭示北京市日照时数的变化规律,为北京市及周边地区合理利用气候资源、保障可持续发展提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源

所用资料为1923—2020年北京市和天津市逐月日照时数数据。按照来源不同,可分为两部分:1951—2020年北京市和天津市日照资料源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/);1951年之前两地的数据分别摘自《北京气候资料(1841—1980年)》和《天津气象资料1890—1960》。

由于社会动乱、战争、仪器设备故障等原因,1951年之前北京市日照时数资料存在缺失。近百年北京市日照时数共缺失79个月,占比为6.7%。缺失资料集中分布于7月、8月和12月,缺失百分比均在0.6%以上;其次为1月、2月、5月、6月以及9—11月,缺失百分比在0.5%～0.6%之间;3月和4月缺失资料最少,缺失百分比在0.5%以下(表1)。上述资料均经过严格的质量控制,可靠性较高。

表1 1923—2020年北京市日照时数缺失及插补情况Tab. 1 Missing data and interpolation in Beijing sunshine duration during 1923—2020

1.2 研究方法

为获取过去百年北京市连续日照时数数据,采用回归订正法对缺失数据进行逐月插补。选取受同一天气系统控制且资料相对完整的天津市作为参考站,以1961—1990年为参考时段,建立二者订正方程,利用该方程对北京市缺失的数据进行插补。统计表明,参考时段北京市与天津市各月日照时数的相关系数在0.729～0.920之间,其中8个月相关系数在0.8以上,回归方程全部通过0.001显著性检验(表1)。对两地日照时数均缺失的月份,选用缺失月份前后5年的算术平均值进行插补。

采用一元线性回归法分析1923—2020年北京市年和四季日照时数的变化速率。为研究过去百年北京市日照时数的周期和突变特征,分别采用小波分析和Mann-Kendall法计算日照时数的振荡周期和突变年份。前者是以傅立叶变换为基础的频域分析方法,其意义是将时间序列的总能量分解到不同频率上的分量,根据不同频率波的方差贡献诊断出序列的主要周期;后者是一种非参数统计检验方法,其优点是样本不需要遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰[16]。未来趋势方面,采用R/S分析法对北京市日照时数变化进行预测。该方法通过Hurst指数揭示时间序列中的趋势型成分。

2 结果与分析

2.1 变化速率

2.1.1 年变化

1923—2020年北京市年日照时数平均值为2 641.4 h,最大值为3 146.2 h,出现于1962年;最小值为2 192.7 h,出现于2006年,两者相差953.5 h,年际震荡剧烈。一元线性拟合显示,该时段北京市年日照时数以(-22.42±12.89) h/10a的速率呈显著减少趋势(95%置信区间,下同),方程通过了0.001显著性水平检验。

图1 1923—2020年北京市年日照时数变化Fig. 1 Annual variation of sunshine duration in Beijing during 1923—2020

由多项式拟合可知,过去百年北京市年日照时数大体经历了“先增加,后减少”的多年代波动,可分为两个时段:1923—1966年北京市年日照时数呈显著增加趋势,速率为(67.62±41.48) h/10a,回归方程通过了0.05的显著性检验;1967—2020年则呈显著减少趋势,速率为(-78.74±23.39) h/10a,通过0.001的显著性水平检验。1923—1966年北京市日照时数的标准差为189.7 h,而1967—2020年北京市日照时数的标准差较小,为179.5 h,表明1923—1966年北京市年日照时数的波动较为剧烈,而1967—2020年日照时数波动较为平缓。

2.1.2 季节变化

1923—2020年北京市四季日照时数多年平均值在574.4～747.1 h之间。其中,春季日照时数最大;其次是夏季和秋季,多年平均值分别为684.6 h和634.4 h;冬季日照时数最小。过去百年北京市春、夏和冬季日照时数的极大值均出现在20世纪60年代,其值分别为942.0 h、885.0 h和735.2 h,秋季日照时数极大值出现在1957年,为759.7 h,略早于其他三季。北京市四季日照时数极小值出现的时间较为分散,其值分别为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)。变差系数反映了日照时数序列的波动状况,分析可知夏季日照时数变差系数最大,为12.6 %,其余三季日照时数的变差系数相对较小,表明北京市夏季日照时数波动剧烈,春、秋和冬季日照时数变化则相对平缓。

1923—2020年北京市夏、秋和冬季日照时数变化与年日照时数变化一致,均呈减少趋势,但减少速率有别。夏季减少趋势最为明显,速率为(-12.18±5.38) h/10a;秋季次之,减少速率为(-9.97±4.25) h/10a;冬季变化趋势最弱,以(-4.50±4.16) h/10a的速率减少,而春季日照时数以(4.19±5.31) h/10a的速率呈不显著增加趋势。F检验显示,夏季、秋季日照时数变化速率均通过0.001显著性水平检验;冬季日照时数的变化速率通过0.05显著性水平检验,春季日照时数的变化速率不显著(表2)。

表2 1923—2020年北京市日照时数季节变化Tab. 2 Four seasons variation of sunshine duration in Beijing during 1923—2020

2.2 周期与突变

2.2.1 周期

1923—2020年北京市年日照时数小波实部等值线(图2)存在2个高值中心和4个低值中心,高值中心出现分别出现于1938年和1990年,低值中心出现的年份分别为1925年、1950年、1970年和2010年。图像呈现出明显的阶段性,1955—2000年北京市日照时数变化相对稳定,1923—1954年与2001—2020年日照时数的变化结构相似,变化均比较剧烈。分析可知,过去百年北京市日照时数存在56 a、36 a时间尺度的准周期变化。小波系数实部等值线在56 a的时间尺度上表现出正负交替的准3次振荡,且能量最强,周期最显著,是日照时数变化的第一主周期;在36 a的时间尺度上,20世纪60年代之前周期变化较为稳定,60年代以后振荡信号并不显著,为日照时数变化的第二主周期。

图2 1923—2020年北京市年日照时数小波分析结果Fig. 2 Results of wavelet analysis of annual sunshine duration in Beijing during 1923—2020

季节上,由小波方差图可知(图3),北京市夏、秋和冬季日照时数周期特征与年日照时数一致,均存在56 a、36 a时间尺度的周期变化,小波方差最大峰值对应着56 a的时间尺度,表明56 a的周期振动最强,为第一主周期;36 a时间尺度对应着第二峰,为夏、秋和冬季日照时数的第二主周期。春季日照时数小波方差图中存在2个较为明显的峰值,它们依次从小至大对应着44 a和57 a的时间尺度。其中,最大峰值对应着57 a的时间尺度,为第一主周期;44 a时间尺度对应着第二峰值,为第二主周期。

图3 1923—2020年北京市四季日照时数小波方差图Fig. 3 Wavelet variance plot of seasonal sunshine duration in Beijing during 1923—2020

2.2.2 突变

图4为1923—2020年北京市年日照时数Mann-Kendall突变分析图,由UF曲线可知,北京市年日照时数自20世纪20年代末直到90年代末,UF统计值大于0,表明该时段北京日照时数序列呈增加趋势;其中,1927—1947年和1957—1989年UF曲线统计值超过临界值,表明日照时数序列增加趋势显著;20世纪90年代末以来北京市日照时数UF曲线统计值小于0,日照时数序列开始转为减少趋势,2009年前后UF曲线统计值超过临界值,表明序列减少趋势显著。UF和UB曲线在2000年出现交点,且交点位于临界线之间,表明年日照时数在2000年发生突变。由表3可知,突变前的年日照时数多年均值为2 688.8 h,突变后为2 456.4 h,相比减少232.4 h。突变前后变差系数由6.61%降低至4.56%,表明北京市日照时数在2000年以前波动剧烈,2000之后日照时数变化较为平缓。突变前年日照时数以(1.21±18.50) h/10a的速率呈不显著增加趋势,突变后年日照时数呈减少趋势,速率为(-5.23±93.75) h/10a,突变前后年日照时数的变化速率均未通过显著性检验。

图4 1923—2020年北京市年日照时数Mann-Kendall突变分析Fig. 4 Mann-Kendall analysis of annual sunshine duration in Beijing during 1923-2020

表3 1923—2020年北京市日照时数突变前后对比Tab. 3 Comparison of sunshine duration before and after abrupt change in Beijing during 1923-2020

季节上,近百年北京市夏、秋和冬季日照时数均发生突变,其中冬季突变年份最早,为1983年;秋季次之,突变年份为1992年;夏季突变时间最晚,为2001年;而春季日照时数未检测出突变信号(表3)。与突变前相比,夏、秋、冬季突变后的日照时数均较突变前显著减少,减少幅度在39.3～114.4 h之间。夏季日照时数的变差系数在突变前为10.48%,突变后降低至7.29%,表明夏季日照时数突变后变化较为平缓;秋季和冬季日照时数突变前的变差系数为8.03%、9.58%,突变后分别升高至9.91%和9.75%,表明秋季和冬季日照时数突变后波动剧烈。夏季日照时数突变前后的变化速率均呈减少趋势,突变后的减少速率大于突变前;秋季和冬季日照时数在突变发生之前均呈增加趋势,突变后呈减少趋势,方程均未通过显著性检验。

2.3 未来变化

R/S分析结果表明(表4),1923—2020年北京市年日照时数Hurst指数为0.969,持续强度为“很强”等级,表明未来北京市年日照时数将延续过去百年的变化趋势,即未来北京市年日照时数仍将保持很强的减少趋势。季节上,1923—2020年北京市四季日照时数Hurst指数均大于0.5,具有状态持续性,但持续强度存在等级差异。夏、秋和冬季北京市日照时数Hurst指数分别为0.913、0.941和0.811,说明未来北京市夏、秋和冬季日照时数仍将持续减少,持续强度均为“很强”;而春季日照时数的Hurst指数为0.744,意味着春季日照时数未来仍将保持过去日照时数的增加趋势,但持续强度为较强。

表4 不同时间尺度北京市年及四季日照时数Hurst指数Tab. 4 Annual and seasonal Hurst index of sunshine duration at different time scales

时间尺度差异会对日照时数的趋势预测造成影响,不同时间尺度上北京市日照时数的变化趋势分析发现,1971—2020年北京市年、夏季和秋季日照时数Hurst指数分别为0.973、0.887和0.982,较1923—2020年相差不大,意味着未来变化趋势具有状态持续性,且持续强度为“很强”;春季和冬季日照时数Hurst指数分别为0.692和0.680,均低于1923—2020年水平,意味着未来北京市春、冬季日照时数的持续性强度有所降低,仅为较强等级。近30年北京市年及四季日照时数的Hurst指数分别为0.853、0.560、0.740、0.658和0.591,均低于1971—2020年北京市的Hurst指数,意味着日照时数持续性强度进一步降低。其中,春季、冬季日照时数的Hurst指数接近0.5,持续强度为较弱等级,说明从短期来看,未来北京市春季、冬季日照时数变化存在较大的不确定性。

3 结论

利用1923—2020年北京和天津市逐月日照时数资料,分析了近百年北京市日照时数变化及其未来趋势。主要结论如下:

(1) 1923—2020年北京市年日照时数呈显著减少趋势,变化速率为(-22.42±12.89) h/10a;夏、秋和冬季日照时数均呈减少趋势,夏季减少幅度最大,减少速率为(-12.18±5.38) h/10a;秋季、冬季次之,减少速率分别为(-9.97±4.25) h/10a和(-4.50±4.16) h/10a;春季日照时数则以(4.19±5.31) h/10a的速率呈不显著增加趋势。

(2) 1923—2020年北京市年日照时数变化存在56 a(第一主周期)、36 a(第二主周期)周期变化;近百年北京市年日照时数于2000年发生突变,夏、秋和冬季日照时数突变年份分别为2001年、1992年和1983年,春季未检测到突变信号。

(3) 未来北京市年和四季日照时数的变化将很大程度地延续过去变化趋势,年、夏季和秋季日照时数变化具有很强的持续性,而春季和冬季日照时数变化的持续性相对较弱。

与以往研究相比,本文研究时间尺度更长。但是,本文仅分析了1923年以来北京市日照时数的变化速率、周期和突变特征,而北京市日照时数变化原因、影响因素等未涉及,有待于进一步研究。