基于Mann-Kendall法和小波分析的降水变化特征研究

1、第36卷第4期西南师范大学学报(自然科学版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文章编号:10005471(201104021706基于M a n n-K e n d a l l法和小波分析的降水变化特征研究以重庆市沙坪坝区为例简虹,骆云中,谢德体西南大学资源环境学院,重庆400715摘要:以重庆市沙坪坝区1959 2008年50年的日降水资料

2、为基础数据,以M a n n-K e n d a l l法和小波分析为主要研究方法,分析了沙坪坝区的降水变化特征.结果表明:近50年来沙坪坝区年降水量和汛期降水量成上升趋势,但变化不显著,非汛期降水量有较显著的上升,将有助于解决区域水资源在时间尺度上供需不平衡问题;年内分配的年代际变化分析表明,该地区年内分配极为不均,汛期多年平均降水量为843.9mm,约占年平均降水量的77%;根据年降水和汛期降水的小波方差图的比较可知,年降水的变化在很大程度上受汛期降水变化的控制.关键词:重庆;M a n n-K e n d a l l法;小波分析法;降水;特征分析中图分类号:P426.6文献标志码:A20

3、09年丹麦召开的哥本哈根世界气候大会再次将全球气候变化提上国际议案,全球气候变暖已成为不争的事实,加之人类活动不断加剧,全球气候变化显著,而降水的变化规律越来越为人们所关注14.我国是旱涝灾害频发的国家,旱涝灾害给农业生产带来了重大损失5.降水量是导致旱涝灾害发生的重要影响因素,也是农田水利设计的基础资料.研究降雨量的时空分布特征不仅对旱涝气候变化规律具有重要的实际意义,也能为区域发展决策提供科学依据.近几十年来,因旱涝灾害造成的损失和影响越来越严重.旱涝灾害不但直接导致农业减产,而且其持续累积会使土地资源退化水资源耗竭生态环境受到破坏,制约可持续发展6.预防和减轻旱涝灾害的前提是全面认识旱涝

4、灾害的本质及发生规律.人们对此进行了大量研究,如王效瑞等利用累积距平曲线法分析安徽省降水变化趋势7;冯自立等利用R/S方法对青藏高原降水量进行分析8;刘刚等用小波方法分析降水量的周期变化9.这些对于降水量演变规律及降水变化的系统性研究多采用累积距平法小波分析法和R/S分析法,而运用M a n n-K e n d a l l突变检验法的并不多.因此,本研究根据长系列资料,运用M a n n-K e n d a l l检验法分析重庆沙坪坝区近50a的降水演变规律,并用小波分析法检验其变化周期.1研究方法天气系统变化不仅是全球性的,而且具有局地特征10.天气系统的变化必然会对水文序列的变化产生影响.

5、水文系列受诸多因素的影响,并由确定项和随机项两项组成11,并且往往表现出极强的非线性特征,其中研究水文系列的周期性和趋势性是揭示其确定性规律的关键12.收稿日期:20101122作者简介:简虹(1987,女,重庆巴南人,硕士研究生,主要从事土壤信息管理与采集的研究.通信作者:谢德体,教授,博士生导师.1.1 趋势检验方法基于秩的非参数M a n n -K e n d a l l 统计检验法1314常用来预测如气温降水径流水质等水文气象时间序列资料的长期变化趋势1517,是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法.M a n n -K e n d a l l 检验不需要样本遵从一定的分布,也

6、不受少数异常值的干扰,适用水文气象等非正态分布的数据,计算简便,并且检测范围宽,认为干扰少,定量化程度高.在M a n n -K e n d a l l 检验中,原假设H 0:时间序列数据(x 1, ,x n 是n 个独立的随机变量同分布的样本;备择假设H 1是双边检验:对于所有的k ,j n 且k j ,x k 和x j 的分布是不相同的,检验的统计变量S 计算如下式:S =ðn -1k =1ðn j =k +1S g n (x j -x k 其中S g n (为符号函数(1S g n (x j -x k =+1x j -x k >00x j -x k =0-1x

7、j -x k <ìîíïïïïüþýïïïï0(2 S 为正态分布,其均值为0,方差V a r (s =n (n -1(2n +518,当n >10时,标准的正态统计变量通过下式计算:Z =s -1V a r (s s >00s =0s +1V a r (s s <ìîíïïïïïïüþýïï&

8、#239;ïïï0(3 这样,在双边的趋势检验中,在给定的置信水平上,如果Z Z 1-2则原假设是不可接受的,即在出信号突变时间点18.本文用于检验M -K 方法得出的结论.小波函数有很多种,针对水文系列的特征,选取复M o r l e t 小波作为小波函数,其表达式19为(x =f b e 2j f c x e x f b (4其中f b 是带宽参数,f c 是小波中心频率.2 研究区概况3.1 降水年际变化本文选取沙坪坝气象站点1959 2008年共50a 的日降水资料进行分析.经过计算得到沙坪坝区近50812西南师范大学学报(自然科学版 h t t p :/

9、x b b jb .s w u .c n 第36卷 .图1 沙坪坝区年际降水变化经过计算,沙坪坝年降水的M a n n -K e n d a l l 趋势检验值Z =0.17,年降水量的变化成上升趋势,但变化不显著,线性倾向估计其上升幅度为12.10mm /10a .虽然年降水量变化总体上成微弱的上升趋势,但年际经过计算,沙坪坝区在汛期M a n n -K e n d a l l 趋势检验值Z =0.10,成上升的趋势变化,但变化不显著,线性倾向估计其上升幅度为6.35mm /10a .在非汛期MK 统计量为1.26,成上升趋势变化,变化比较显著,线性倾向估计其上升幅度为5.75mm /10a

10、 .虽然汛期降水量变化不显著,但重庆属于丘陵地区,汛期降水量多,仍然应该注意防洪问题.非汛期降水量成比较显著的上升趋势,将有助于解决区域水资源在时间尺度上供需不平衡问题.图2 1959 2008年沙坪坝区汛期降水变化图3 1959 2008年沙坪坝区非汛期降水变化3.3 年内分配的年代际变化分析图4的年代际的降水年内分布图是以十年为一个年代际点绘成,由上图可以看出,该地区的降水主要集中在5,6,7这3个月.沙坪坝的汛期为5 10月,汛期多年平均降水量为843.9mm ,约占年平均降水量的77%,由图4可以看出,汛期存在两个明显的峰值,分别是6月和9月.20世纪70年代最大降水发生在912第4期

11、 简 虹,等:基于M a n n -K e n d a l l 法和小波分析的降水变化特征研究 以重庆市沙坪坝区为例022西南师范大学学报(自然科学版h t t p:/x b b j b.s w u.c n第36卷5月,并在9月有个次最大降水;20世纪60年代90年代,21世纪初年最大降水都发生在6月.其中20世纪60年代在9月有个次最大降水;80年代最大降水发生在7月.这3个月的降水占全年总降水的50%左右.这说明该地区年内分配极为不均.图4沙坪坝区年代际的降水年内分布4降水周期分析4.1年降水的周期性为了了解降水的周期性变化特征,对降水的时间序列进行了小波分析,分析结果如图5.图5沙坪坝区

12、复M o r l e t小波系数实部图M o r l a t小波系数实部图表示了沙坪坝区年降水量的时间尺度特征,图上清楚地显示了该地区50a降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变特征.图中信号振荡的强弱是通过灰度的大小来表示,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.由图5可以看出降水系列存在着时间周期尺度上的复杂嵌套结构,小尺度变化嵌套在较大尺度的变化下.图6为沙坪坝区小波方差图,由图中可以看出小波方差图中出现了3个峰值,分别为4,7,30,说明该地区的振荡周期分别是4,7,30a,前两个振幅比较小,后面振幅逐渐增强,且主振荡周期为30a.从主振荡周期上看,沙坪坝长期振荡

13、降雨偏少的等值线还未闭合,说明在未来一段时间里沙坪坝区将处于降水偏少的时期.图6沙坪坝区小波方差图4.2 年降水量与汛期降水量的周期对比为分析年降水变化与汛期降水变化的关系,将该地区汛期降水的小波方差图与年降水的小波方差图进行比较寻找其变化规律.由图7可以清楚地看出,沙坪坝区年振荡周期与汛期振荡周期是完全一致的,从两幅图的对比充分说明了汛期降水和年降水的变化趋势具有很大的相似性,不同时间尺度的周期特征之间有不同程度的吻合,从而说明了年降水的变化很大程度上受汛期降水变化的控制,这也证明了年降水周期和汛期降水周期之间存在相关性.图7 沙坪坝区年&汛期降水小波方差图5 结论与讨论本文利用沙坪

14、坝区1959 2008年降水资料,运用M a n n -K e n d a l l 法和小波分析法分析沙坪坝近50a 降水变化特征,主要结论如下:1沙坪坝区年降水量的变化成上升趋势,但变化不显著,线性倾向估计其上升幅度为12.10m m /10a .从年代际的降水年内分布图可看出,该地区的降水主要集中在5,6,7这3个月,占全年总降水量的50%左右,这说明该地区年内分配极为不均.2沙坪坝区汛期降水量变化成上升的趋势,但变化不显著,线性倾向估计其上升幅度为6.35m m /10a .非汛期降水量成上升变化,变化比较显著,线性倾向估计其上升幅度为5.75mm /10a .非汛期降水量成比较显著的上

15、升变化,将有助于解决区域水资源在时间尺度上供需不平衡问题.3小波分析表明沙坪坝区降水振荡周期分别是4,7,30a ,且主振荡周期为30a .从主振荡周期上看,沙坪坝长期振荡降雨偏少的等值线还未闭合,说明在未来一段时间里沙坪坝区将处于降水偏少的时期.4沙坪坝区年振荡周期与汛期振荡周期的一致性,论证了年降水周期和汛期降水周期之间存在相关性.参考文献: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

16、 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,高阳华,段相洪.三峡地区夏季降水基本气候特征J .西南农业大学学报:自然科学版,2005,27(2:269-272.3 杨 毅,武 伟,刘洪斌.贵阳市近40年气候变化趋势分析J .西南师范大学学报:自然科学版,2007,32(2:82-87.4 刘晓冉,杨 茜,程炳岩,等.近40年重庆地区降水资源的变化特征分析J .西南大学学报:自然科学版,2010,32(7:93-99.5 许秀娟,蒋 俊.陕西关中西部作

17、物生长季近70年旱涝指数分析 以杨凌为例J .干旱地区农业研究,2001,19(3:59-63.6 商彦蕊.农业旱灾研究进展J .地理与地理信息科学,2004,20(4:101-105.7 王效瑞,徐 敏.安徽省夏季降水量的若干统计特征J .安徽师范大学学报,2002,25(3:281-285.8 冯自立,罗隆诚.青藏高原降水量日变化趋势的分析研究J .安徽农业科学,2008,36(1:295-298.122第4期 简 虹,等:基于M a n n -K e n d a l l 法和小波分析的降水变化特征研究 以重庆市沙坪坝区为例2 2 2 刘 9 ( : 4 4 8 2 3 5-2 4 1.

18、刚 ,刘纪 平 ,赵 西南师范大学学报 ( 自然科学版 : / / h t t x b b b . s w u . c n p j 第3 6卷 荣 ,等 .小 波 方 法 在 灡 沧 江 降 水 量 周 期 变 化 分 析 中 的 应 用 J .计 算 机 工 程 与 应 用 , 2 0 0 8, 邓自旺 ,林振山 ,周晓兰 .西安市近 5 ( : 1 0 0 年来气候变化多时间尺度分析 J .高原气象 , 1 9 9 7, 1 6 1 8 1-9 3. 黄振平 .水文统计学 1 1 M .南京 :河海大学出版社 , 2 0 0 3. 杨贵羽 ,周祖昊 ,秦大庸 ,等 .三川河降水径流演变规律

19、及其动因分析 ( : 1 2 J .人民黄河 , 2 0 0 7, 2 9 2 4 2-4 4. MANN H B.N , 1 3 o n a r a m e t r i cT e s tA a i n s tT r e n d J . E c o n o m e t r i c a 1 9 4 5, 1 3: 2 4 5-2 5 9. p g K : , 1 4 E N D A L L M G. R a n kC o r r e l a t i o nM e t h o d s M . L o n d o n C h a r l e sG r i f f i n 1 9 7 5. , , (

20、 : t z eb a s i n C h i n a J .H d r o l o i c a lS c i e n c e sJ o u r n a l 2 0 0 5, 5 0 1 6 5-8 0. g y g Q ,MA , 1 5 I AN GZ, TON GJ R C O G, e t a l . P r e c i i t a t i o n T e m e r a t u r e a n dR u n o f fA n a l s i s f r o m1 9 5 0t o2 0 0 2 i n t h eY a n p p y 闫敏华 ,邓 1 6 ( : 伟 ,陈泮勤 .三

21、江平原气候突变分析 J .地理科学 , 2 0 0 3, 2 3 6 6 6 1-6 6 7. G , 1 7 E R A L D V B, J a m e sP H.N o n a r a m e t r i cT e s t sf o rT r e n d s i nW a t e rQ u a l i t J .W a t e rR e s o u r c e sR e s e a r c h 2 0 0 1, p y 胡昌华 ,张军波 ,夏 1 8 ( : 3 7 4 9 8 7-9 9 8. 军 ,等 .基 于 MA T L A B的系统分析与设计 小波分析 M .西 安 :西 安

22、电 子 科 技 大 学 出 版 任明磊 ,王本德 .大伙房水库流域降水变化特征分析 ( : 1 9 J .水电能源科学 , 2 0 0 8, 2 6 6 5-7. 社, 1 9 9 9: 2 1 0-2 1 7. P r e c i i t a t i o nV a r i a t i o nF 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

23、 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 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

24、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 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

25、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 r e s o u r c e s i nS h a i n b a . p g : ; ; ; ; K e w o r d s C h o n i