基于Anusplin插值的广东省近50年日照时数时空特征

严敏聪，潘志豪，沈碧辉，翁佳烽

（1.四会市气象局，广东四会526200；2.肇庆市气象局，广东肇庆 526060）

日照时数是最重要的气象要素之一，但是在20世纪改革开放以来，工业发展壮大，城市飞速发展，大气污染日益严重的背景下，云凝结核增加，云量增多，太阳辐射减少［1-2］，使得我国的平均日照时数出现了明显的下降趋势，日照时数的变化成为了当下国内众多学者的研究对象，黄珍珠等［3］分析了1960—2008年广东省不同区域的日照时数变化特征；吴桂明等［4］研究了1965—2015年广东省日照时数时空变化特征；曾钦文等［5］分析了东江中上游流域日照变化特征及其影响因素，得出的结论均与全国日照变化总趋势一致［6］。空间插值方法上，以往研究多用克里金（Kriging）、反距离加权（IDW）等进行插值，而有研究得出从统计学角度Anusplin插值总体精度水平优于反距离加权插值法和克里格插值法［7］；时序分析方法上，许多研究用线性回归、Mann—Kendall突变检验、Yamamoto检验等方法分析时间变化趋势，这些方法局限在于不能刻画演变过程中的多尺度特性，而小波分析方法在数字信号的分解和重构有着很好的效果［8］。

为了更好地了解广东省近50年来日照时数的周期变化以及空间分布情况，本研究主要使用Anusplin插值以及Morlet小波来分析1971—2020年广东省日照时数的时空变化特征，研究结果对认识该地区的气候背景状况和气候资源的变化，为旅游规划、城市合理布局以及资源有效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广东省位于中国大陆的最南端，全省地势大体北高南低，但境内山川纵横交错，在北部、东北部和西部都有较高山脉，地形变化复杂，中部和南部沿海地区多为低丘或平原［9］。广东省大部分处于亚热带季风气候区，日照时间长，全省日照时数由北向南递增，年平均日照时数由不足1 100 h增加到将近2 200 h，常年年平均日照时数1 747.4 h，四季分布不均，夏秋季明显大于冬春季。

本研究选用的是广东省全省86个国家级气象站1971—2020年历年来的年平均与季平均日照时数气象资料为原始数据，其中剔除4个不连续、冗余及错误的站点数据，余下的站点进行算术平均；另外选取12个分布均匀、海拔高程不一的站点作为验证站点，最后剩余的70个站点进行插值处理。同时根据广东省特有的气候特征将1年12个月进行了四季划分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月—次年2月）。

1.2 研究方法

1）Anusplin插值。

日照时数数据是每个站点的实测数据，本研究使用Anusplin插值软件进行气象数据的插值，Anusplin插值是基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论实现的，除了样条自变量外，还可以引入协变量，如海拔、海岸线距离等［10］。局部薄盘光滑样条的理论模型公式为

其中，Zi为位于空间i点的因变量；f（xi）为要估算关于xi的未知光滑函数；xi是独立变量；yi为独立协变量；b为独立协变量的系数；ei为随机误差。

该次分析对广东省70个站点的数据使用Anusplin插值软件以海拔作为协变量进行插值处理，使用3变量局部薄盘光滑样条函数（经度和纬度为自变量，海拔高度为协变量），样条次数设置为3，得到1971—2020年50年年平均日照时数以及四季平均日照时数的空间分布，栅格分辨率为500 m×500 m。

2）Morlet小波分析。

小波分析作为气象研究中常用的时频分析工具，利用小波变换尺度伸缩、空间平移的功能了解序列在各层次的变化趋势，能够直观的展示隐含在气象要素中的各类随时间周期波动的周期震荡［11］，利用Morlet函数绘制小波系数实部等值线图，可表现出日照时数序列的周期变化特征，具体问题见文献［12］。

2 结果与分析

2.1 栅格空间

由图1可知，广东省各地50年的多年年平均日照时数范围在1 052.3～2 185.9 h，全省平均日照时数为1 713.8 h，空间分布总体呈现南多北少、东西多中间少的分布，其中湛江与最东南的潮汕低纬度低海拔地区日照时数最多，而韶关以及清远的“三连”（连山、连南、连州）地区高纬度高海拔地区日照时数最少。

图1 广东省1971—2020年的年、季均日照时数栅格空间分布

经统计分析（图1）栅格像元数据后发现，年日照时数＜1 400 h的像元数占总像元数3.68%，主要位于韶关乐昌、翁源的东北部以及清远的“三连”地区的北部；≥1 400 h同时＜1 600 h的像元数占总像元数15.84%，主要位于清远以及韶关、云浮、肇庆的高海拔山区等地区；≥1 600 h同时＜1 800 h的像元数占总像元数比重最大，达53.56%，在珠三角、粤东以及粤西都占据大部；≥1 800 h同时＜2 000 h的像元数占总像元数23.23%，主要位于茂名、湛江、深圳和惠州等地区；≥2 000 h的像元数占总像元数3.69%，主要位于湛江徐闻、潮汕地区的东部沿海。全省四季平均日照时数多寡依次为：夏（564.45 h）＞秋（536.12 h）＞冬（357.61 h）＞春（300.13 h）。冬春季整体呈现较为平滑的空间分布变化，春季全省西北向的大部均为相对低值区，冬季反之，全省东南向的大部均为相对高值区；夏季受海拔高程影响最明显，海拔高的地区日照时数反而少，秋季次之。

该基于Anusplin插值的栅格数据能更全面地反映广东省多年日照时数的空间分布，但其插值精度误差仍需再作进一步检验。

为验证Anusplin的插值准确度，进一步选取气象学常用的两种插值方法——克里金（Kriging）插值法和反距离加权法（IDW）进行横向对比，如图2所示，再分别对3种插值结果的12个检验站点实测值和插值进行误差检验，通过根均方差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）两个指标来评估插值效果，如表1所示，指标值越小，说明插值方法准确度越高［13］。RMSE和MAE表达式如下：

表1 近50年年均、季均日照时数3种插值结果的验证站点实测值和插值误差检验 h

图2 近50年年均日照时数Anusplin（a）、Kriging（b）、IDW（c）插值方法结果对比

其中，Z0i和Zi分别是第i个站点的预测值和实际值；n为参与检验站点数。

由表1可知，Anusplin插值中误差指标除了秋季的MAE值比其余两种插值稍高之外，其余的所有误差指标值均最小，因此Anusplin插值的精度最优，IDW插值次之，Kriging插值法精度最低。Anusplin方法在空间分布上更准确地突出小范围区域内日照时数的差异，更精细显示广东省日照时数的分布状况，而IDW插值法的插值结果出现了“牛眼”，Kriging插值法的插值结果则过于平滑。Anusplin插值法结果更能准确体现实际日照时数空间分布。

2.2 时间尺度

由图3中5年滑动平均线可以看出，在总体呈现下降趋势的同时，部分时段呈上升波动，说明日照时数在减少的同时，呈现一定的周期。

图3 1971—2020年广东省年均日照时数趋势线

由图4可以看出，日照时数在多个时间尺度的周期变化特征，其中比较明显的是5～15、18～24、28～34、38～44、52～58年左右的周期。在52～58年的长周期变化尺度中，日照时数经历了3个时期的交替变化，偏多出现在1977、2014年附近，偏少出现在1995年附近；38～44年的长周期变化尺度中，经历了4个时期的交替变化，偏多出现在1971、2000年附近，偏少出现在1985、2012年附近。而在中短时间的周期范围内，28～34年经历了6个时期的交替变化，偏多出现在1978、2000、2019年附近，偏少出现在1971、1989、2009年附近，以上3个时间尺度的周期变化贯穿整个分析时段，表现的全域性特征。18～24年经历了7个时期的交替变化，偏多出现在1975、1989、2003、2017年附近，偏少出现在1983、1996、2010年附近。5～15年从1997～2015年之间趋于明显，其余时间变化周期不显著。

图4 年均日照时数Morlet小波变换系数实部

综合分析可以看出，20年时间变化尺度上显示广东省处于年日照时数偏少时期的开始，30年尺度上未闭合的仍处于偏多时期，42年长周期年尺度上偏少时期即将结束，57年长周期尺度上偏多时期仍未闭合。由此可推出，未来几年在20年及以下的中小尺度上广东省年日照时数开始转为偏少时期，而在30年以上的大尺度上则处于偏多时期。

由图5可知，该图的4个极值点对应的周期尺度分别是21、30、42和57年，且42年左右的时间尺度对应的方差极值最显著，其次为57年。

图5 年均日照时数Morlet小波变换方差

综上所述，广东省年均日照时数存在21、30、42和57年左右的主周期，其中42年左右为第1主周期，57年左右为第2主周期。

根据70个插值站点日照时数的历年平均以及四季平均数据，利用一元线性回归方法得出每个站点的变化倾向率，在根据其倾向率数据进行Anusplin的插值得出1971—2020年广东省年均日照时数的变化倾向率的空间分布（图6）。可知1971—2020年广东省年均日照时数倾向率在-9.69～3.32 h/年范围，除粤西西南部、粤东东南沿海以及粤北少部分地区日照时数呈增长趋势外，其余全省大都呈现减少趋势，中部减少显著，高海拔地区最为明显。另外，春、夏、秋、冬4季变化倾向率在-2.22～2.36、-3.76～1.62、-2.12～0.42和-1.80～0.53 h/年，增长和减少趋势范围与年倾向率的分布范围大致相同。

图6 1971—2020年广东省年均日照时数变化倾向率的（单位：h/年）空间分布

3 结论

1）近50年来，广东省平均年日照时数的变化范围为1 052.3～2 185.9 h，空间分布总体呈现南多北少、东西多中间少的分布规律。日照时数在1 600～1 800 h范围内的区域占全省区域总面积的50%多。全省四季平均日照时数依次为：夏（564.45 h）＞秋（536.12 h）＞冬（357.61 h）＞春（300.13 h）。冬春季整体呈现较为平滑的空间分布变化；夏季受海拔高程影响最为明显，海拔高的地区日照时数反而较少，秋季次之。

2）Anusplin插值法验证结果在3种插值方法中精度最优，IDW插值次之，Kriging插值法精度最低，Anusplin插值更能准确体现实际日照时数空间分布。

3）1971—2020年广东省年均日照时数总体呈下降趋势，除粤西西南部、粤东东南沿海以及粤北少部分地区日照时数呈增长趋势外，其余全省大都呈现减少趋势，其中中部减少显著，高海拔地区最为明显，四季增长和减少趋势范围与年倾向率的分布范围大致相同。日照时数的变化周期主要是5～15、18～24、28～34、38～44、52～58年。未来20年时间变化尺度上广东省转为年日照时数偏少时期的开始，30年尺度上未闭合的仍处于偏多时期，42年长周期年尺度上偏少时期即将结束，57年长周期尺度上仍处于偏多时期。