基于Mann-Kendall法和小波分析的降水變化特征研究_百度文庫

1、第36卷第4期西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2011年8月V o l.36N o.4J o u r n a l o f S o u t h w e s t C h i n aN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o nA u g.2011文章編號(hào):10005471(201104021706基于M a n n-K e n d a l l法和小波分析的降水變化特征研究以重慶市沙坪壩區(qū)為例簡虹,駱云中,謝德體西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶400715摘要:以重慶市沙坪壩區(qū)1959 2008年50年的日降水資料

2、為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以M a n n-K e n d a l l法和小波分析為主要研究方法,分析了沙坪壩區(qū)的降水變化特征.結(jié)果表明:近50年來沙坪壩區(qū)年降水量和汛期降水量成上升趨勢,但變化不顯著,非汛期降水量有較顯著的上升,將有助于解決區(qū)域水資源在時(shí)間尺度上供需不平衡問題;年內(nèi)分配的年代際變化分析表明,該地區(qū)年內(nèi)分配極為不均,汛期多年平均降水量為843.9mm,約占年平均降水量的77%;根據(jù)年降水和汛期降水的小波方差圖的比較可知,年降水的變化在很大程度上受汛期降水變化的控制.關(guān)鍵詞:重慶;M a n n-K e n d a l l法;小波分析法;降水;特征分析中圖分類號(hào):P426.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A20

3、09年丹麥召開的哥本哈根世界氣候大會(huì)再次將全球氣候變化提上國際議案,全球氣候變暖已成為不爭的事實(shí),加之人類活動(dòng)不斷加劇,全球氣候變化顯著,而降水的變化規(guī)律越來越為人們所關(guān)注14.我國是旱澇災(zāi)害頻發(fā)的國家,旱澇災(zāi)害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了重大損失5.降水量是導(dǎo)致旱澇災(zāi)害發(fā)生的重要影響因素,也是農(nóng)田水利設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料.研究降雨量的時(shí)空分布特征不僅對(duì)旱澇氣候變化規(guī)律具有重要的實(shí)際意義,也能為區(qū)域發(fā)展決策提供科學(xué)依據(jù).近幾十年來,因旱澇災(zāi)害造成的損失和影響越來越嚴(yán)重.旱澇災(zāi)害不但直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn),而且其持續(xù)累積會(huì)使土地資源退化水資源耗竭生態(tài)環(huán)境受到破壞,制約可持續(xù)發(fā)展6.預(yù)防和減輕旱澇災(zāi)害的前提是全面認(rèn)識(shí)旱澇

4、災(zāi)害的本質(zhì)及發(fā)生規(guī)律.人們對(duì)此進(jìn)行了大量研究,如王效瑞等利用累積距平曲線法分析安徽省降水變化趨勢7;馮自立等利用R/S方法對(duì)青藏高原降水量進(jìn)行分析8;劉剛等用小波方法分析降水量的周期變化9.這些對(duì)于降水量演變規(guī)律及降水變化的系統(tǒng)性研究多采用累積距平法小波分析法和R/S分析法,而運(yùn)用M a n n-K e n d a l l突變檢驗(yàn)法的并不多.因此,本研究根據(jù)長系列資料,運(yùn)用M a n n-K e n d a l l檢驗(yàn)法分析重慶沙坪壩區(qū)近50a的降水演變規(guī)律,并用小波分析法檢驗(yàn)其變化周期.1研究方法天氣系統(tǒng)變化不僅是全球性的,而且具有局地特征10.天氣系統(tǒng)的變化必然會(huì)對(duì)水文序列的變化產(chǎn)生影響.

5、水文系列受諸多因素的影響,并由確定項(xiàng)和隨機(jī)項(xiàng)兩項(xiàng)組成11,并且往往表現(xiàn)出極強(qiáng)的非線性特征,其中研究水文系列的周期性和趨勢性是揭示其確定性規(guī)律的關(guān)鍵12.收稿日期:20101122作者簡介:簡虹(1987,女,重慶巴南人,碩士研究生,主要從事土壤信息管理與采集的研究.通信作者:謝德體,教授,博士生導(dǎo)師.1.1 趨勢檢驗(yàn)方法基于秩的非參數(shù)M a n n -K e n d a l l 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法1314常用來預(yù)測如氣溫降水徑流水質(zhì)等水文氣象時(shí)間序列資料的長期變化趨勢1517,是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法.M a n n -K e n d a l l 檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布,也

6、不受少數(shù)異常值的干擾,適用水文氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù),計(jì)算簡便,并且檢測范圍寬,認(rèn)為干擾少,定量化程度高.在M a n n -K e n d a l l 檢驗(yàn)中,原假設(shè)H 0:時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x 1, ,x n 是n 個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量同分布的樣本;備擇假設(shè)H 1是雙邊檢驗(yàn):對(duì)于所有的k ,j n 且k j ,x k 和x j 的分布是不相同的,檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S 計(jì)算如下式:S =ðn -1k =1ðn j =k +1S g n (x j -x k 其中S g n (為符號(hào)函數(shù)(1S g n (x j -x k =+1x j -x k >00x j -x k =0-1x

7、j -x k <ìîíïïïïüþýïïïï0(2 S 為正態(tài)分布,其均值為0,方差V a r (s =n (n -1(2n +518,當(dāng)n >10時(shí),標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過下式計(jì)算:Z =s -1V a r (s s >00s =0s +1V a r (s s <ìîíïïïïïïüþýïï&

8、#239;ïïï0(3 這樣,在雙邊的趨勢檢驗(yàn)中,在給定的置信水平上,如果Z Z 1-2則原假設(shè)是不可接受的,即在置信水平上,時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢.Z 為正,系列具有上升或增加趨勢;Z 為負(fù),系列具有下降或減少的趨勢.若Z 的絕對(duì)值大于或等于1.28,1.64和2.32,分別表示通過了信度90%,95%和99%的顯著性趨勢檢驗(yàn).1.2 周期檢驗(yàn)方法本文采用小波分析對(duì)區(qū)域降水量的周期變化進(jìn)行檢驗(yàn),小波分析是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上引入了窗口函數(shù),小波變化可以把一個(gè)時(shí)間序列分解成為時(shí)間和頻率的貢獻(xiàn).它對(duì)獲取一個(gè)復(fù)雜時(shí)間序列的調(diào)整規(guī)律,分辨時(shí)間序列在不同尺度

9、上的演變特征非常有效.小波分析方法用于檢驗(yàn)信號(hào)突變可以較準(zhǔn)確的檢驗(yàn)出信號(hào)突變時(shí)間點(diǎn)18.本文用于檢驗(yàn)M -K 方法得出的結(jié)論.小波函數(shù)有很多種,針對(duì)水文系列的特征,選取復(fù)M o r l e t 小波作為小波函數(shù),其表達(dá)式19為(x =f b e 2j f c x e x f b (4其中f b 是帶寬參數(shù),f c 是小波中心頻率.2 研究區(qū)概況本文以重慶沙坪壩區(qū)為研究區(qū)域,沙坪壩區(qū)位于重慶主城區(qū)西部,東濱嘉陵江,西抵縉云山,幅員面積396.2k m 2.沙坪壩區(qū)地貌歸屬于川東平行嶺谷低山丘陵區(qū)的一部分,全區(qū)呈丘陵臺(tái)地和低山組合的地貌結(jié)構(gòu).中部歌樂山海拔高度在550650m 之間,最高峰歌樂山云

10、頂寺海拔680.25m.嘉陵江由北往東南流經(jīng)沙坪壩區(qū)19.3k m.氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候區(qū),熱量和水分資源豐富,最冷月平均氣溫7.8,最熱月平均氣溫28.5,年平均氣溫18.3,無霜期341.6d ,具有冬暖夏熱和春秋多變的特點(diǎn).降水充沛,全年降水量1096mm (1959 2008年系列.流域內(nèi)5 10月為汛期,平均降雨量達(dá)844mm ,占全年降雨量的77%.近年來,隨著工業(yè)化城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,水資源的供需矛盾進(jìn)一步突出.3 降水趨勢分析3.1 降水年際變化本文選取沙坪壩氣象站點(diǎn)1959 2008年共50a 的日降水資料進(jìn)行分析.經(jīng)過計(jì)算得到沙坪壩區(qū)近50812西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然

11、科學(xué)版 h t t p :/x b b jb .s w u .c n 第36卷a 的年均降水量約為1096.0mm.近50a 年降水最小值發(fā)生在1961年,為787.7mm.年降水最大值發(fā)生在1998年,為1508mm.最大降水量約為最小降水量的2倍.圖1為沙坪壩1959 2008年的年際降水變化 .圖1 沙坪壩區(qū)年際降水變化經(jīng)過計(jì)算,沙坪壩年降水的M a n n -K e n d a l l 趨勢檢驗(yàn)值Z =0.17,年降水量的變化成上升趨勢,但變化不顯著,線性傾向估計(jì)其上升幅度為12.10mm /10a .雖然年降水量變化總體上成微弱的上升趨勢,但年際間水量的差異還是較大.3.2 汛期和非

12、汛期降水變化分析經(jīng)過計(jì)算,沙坪壩區(qū)在汛期M a n n -K e n d a l l 趨勢檢驗(yàn)值Z =0.10,成上升的趨勢變化,但變化不顯著,線性傾向估計(jì)其上升幅度為6.35mm /10a .在非汛期MK 統(tǒng)計(jì)量為1.26,成上升趨勢變化,變化比較顯著,線性傾向估計(jì)其上升幅度為5.75mm /10a .雖然汛期降水量變化不顯著,但重慶屬于丘陵地區(qū),汛期降水量多,仍然應(yīng)該注意防洪問題.非汛期降水量成比較顯著的上升趨勢,將有助于解決區(qū)域水資源在時(shí)間尺度上供需不平衡問題.圖2 1959 2008年沙坪壩區(qū)汛期降水變化圖3 1959 2008年沙坪壩區(qū)非汛期降水變化3.3 年內(nèi)分配的年代際變化分析圖

13、4的年代際的降水年內(nèi)分布圖是以十年為一個(gè)年代際點(diǎn)繪成,由上圖可以看出,該地區(qū)的降水主要集中在5,6,7這3個(gè)月.沙坪壩的汛期為5 10月,汛期多年平均降水量為843.9mm ,約占年平均降水量的77%,由圖4可以看出,汛期存在兩個(gè)明顯的峰值,分別是6月和9月.20世紀(jì)70年代最大降水發(fā)生在912第4期 簡 虹,等:基于M a n n -K e n d a l l 法和小波分析的降水變化特征研究 以重慶市沙坪壩區(qū)為例022西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版h t t p:/x b b j b.s w u.c n第36卷5月,并在9月有個(gè)次最大降水;20世紀(jì)60年代90年代,21世紀(jì)初年最大降水都發(fā)生在

14、6月.其中20世紀(jì)60年代在9月有個(gè)次最大降水;80年代最大降水發(fā)生在7月.這3個(gè)月的降水占全年總降水的50%左右.這說明該地區(qū)年內(nèi)分配極為不均.圖4沙坪壩區(qū)年代際的降水年內(nèi)分布4降水周期分析4.1年降水的周期性為了了解降水的周期性變化特征,對(duì)降水的時(shí)間序列進(jìn)行了小波分析,分析結(jié)果如圖5.圖5沙坪壩區(qū)復(fù)M o r l e t小波系數(shù)實(shí)部圖M o r l a t小波系數(shù)實(shí)部圖表示了沙坪壩區(qū)年降水量的時(shí)間尺度特征,圖上清楚地顯示了該地區(qū)50a降水在不同時(shí)間尺度上的周期振蕩和突變特征.圖中信號(hào)振蕩的強(qiáng)弱是通過灰度的大小來表示,灰度越大表示降水量越比常年偏少;灰度越小表示降水量越比常年偏多.由圖5可以

15、看出降水系列存在著時(shí)間周期尺度上的復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu),小尺度變化嵌套在較大尺度的變化下.圖6為沙坪壩區(qū)小波方差圖,由圖中可以看出小波方差圖中出現(xiàn)了3個(gè)峰值,分別為4,7,30,說明該地區(qū)的振蕩周期分別是4,7,30a,前兩個(gè)振幅比較小,后面振幅逐漸增強(qiáng),且主振蕩周期為30a.從主振蕩周期上看,沙坪壩長期振蕩降雨偏少的等值線還未閉合,說明在未來一段時(shí)間里沙坪壩區(qū)將處于降水偏少的時(shí)期.圖6沙坪壩區(qū)小波方差圖4.2 年降水量與汛期降水量的周期對(duì)比為分析年降水變化與汛期降水變化的關(guān)系,將該地區(qū)汛期降水的小波方差圖與年降水的小波方差圖進(jìn)行比較尋找其變化規(guī)律.由圖7可以清楚地看出,沙坪壩區(qū)年振蕩周期與汛期振蕩周

16、期是完全一致的,從兩幅圖的對(duì)比充分說明了汛期降水和年降水的變化趨勢具有很大的相似性,不同時(shí)間尺度的周期特征之間有不同程度的吻合,從而說明了年降水的變化很大程度上受汛期降水變化的控制,這也證明了年降水周期和汛期降水周期之間存在相關(guān)性.圖7 沙坪壩區(qū)年&汛期降水小波方差圖5 結(jié)論與討論本文利用沙坪壩區(qū)1959 2008年降水資料,運(yùn)用M a n n -K e n d a l l 法和小波分析法分析沙坪壩近50a 降水變化特征,主要結(jié)論如下:1沙坪壩區(qū)年降水量的變化成上升趨勢,但變化不顯著,線性傾向估計(jì)其上升幅度為12.10m m /10a .從年代際的降水年內(nèi)分布圖可看出,該地區(qū)的降水主要

17、集中在5,6,7這3個(gè)月,占全年總降水量的50%左右,這說明該地區(qū)年內(nèi)分配極為不均.2沙坪壩區(qū)汛期降水量變化成上升的趨勢,但變化不顯著,線性傾向估計(jì)其上升幅度為6.35m m /10a .非汛期降水量成上升變化,變化比較顯著,線性傾向估計(jì)其上升幅度為5.75mm /10a .非汛期降水量成比較顯著的上升變化,將有助于解決區(qū)域水資源在時(shí)間尺度上供需不平衡問題.3小波分析表明沙坪壩區(qū)降水振蕩周期分別是4,7,30a ,且主振蕩周期為30a .從主振蕩周期上看,沙坪壩長期振蕩降雨偏少的等值線還未閉合,說明在未來一段時(shí)間里沙坪壩區(qū)將處于降水偏少的時(shí)期.4沙坪壩區(qū)年振蕩周期與汛期振蕩周期的一致性,論證了

18、年降水周期和汛期降水周期之間存在相關(guān)性.參考文獻(xiàn):1MA N N M E ,B R A D L E Y RS ,HU G H E S M K.G l o b a l -s c a l eT e m p e r a t u r eP a t t e r n s a n dC l i m a t eF o r c i n g -o v e r t h eP a s t s i xC e n t u r i e s J .N a t u r e ,1998,392:799-787.2 周 毅,高陽華,段相洪.三峽地區(qū)夏季降水基本氣候特征J .西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,27(2:269-

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25、e a t u r eR e s e a r c hB a s e d p o nM a n n K e n d a l l a n dW a v e l e iA n a l s i s y , L , X J I AN H o n UO Y u n z h o n I ED e t i g g C o l l e eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t, S o u t h w e s tU n i v e r s i t C h o n i n 0 0 7 1 5 g y, g q g4 t a k i n h eS h a i n

26、 b a i nC h o n i n sa ne x a m l e gt p g g q ga p D e c a d a l v a r i a t i o no f a n n u a l d i s t r i b u t i o na n a l s i ss h o w s t h a tv e r n e u a ld i s t r i b u t i o no f t h er e i o nd u r i n y yu q g g , , t h ey e a r a n n u a lp r e c i i t a t i o ni nt h ed r e a s o

27、ni s8 4 3. 9 mm a b o u t7 7% o fa v e r a ea n n u a lr a i n f a l l . p ys g C h a n e s i np r e c i i t a t i o n i nw e t s e a s o nl a r e l i nc o n t r o l o f c h a n e s i na n n u a l r e c i i t a t i o n . T h eo u t u to f g p g y g p p p , , t h i sp a e rc o u l dp r o v i d eav a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o m e n t u t i l i z a t i o n a n dm a n a e m e n to fw a t e r p p g