知网友谊农场日极大值降水统计特征及频率计算

1、目 录摘要3ABSTRACT4 引言61 研究区概况62 数据与分析方法72.1 基本气象数据72.2 降水量时间序列分析72.2.1 趋势分析法92.2.2 突变分析法102.2.3cv计算102.2.4日极大值降水量频率分析113 结果与分析133.1 趋势性分析153.2 突变性分析173.3 cv计算分析183.4 日极大值降水量频率计算194 结论19参考文献32致 谢33友谊农场日极大值降水统计特征及频率计算摘要：利用趋势分析法、Mann-Kendall 突变分析法、cv值计算，频率分析及计算，和变异区间的均值，对友谊农场1981-2010年间的降水量变化进行分析。结果表明:时间上

2、， 友谊农场各年日极大值降水量序列在时间整体上变化趋向并不明显，并且在取6，7，8，9月为特殊月，而在时间序列内部存在不同突变趋向，存在以6，7，8，9月的波动状态;友谊农场内部降水量序列在时间上没有显著的变化规律，然而在时间序列内出现突变趋势，即1998年开始呈下降趋势，至2009 年开始呈上升趋势，存在与各行政分区主周期相同的波动状态。通过cv计算也可以发现，6，7，8，9月份的变异程度均大于每年日极大值降水量的变异程度，且七月份尤为明显。日极大值频率分析20%，50%，75%与计算，表示出友谊农场近30年的降雨量状况较良好。关键词：友谊农场 趋势分析法 Mann-Kendall 突变分析

3、法 cv值计算 变异区间的均值 日极大值降水量的分析与计算Statistical characteristics and frequency calculation of daily maximum precipitation on friendship farmAbstract: Trend analysis, Mann-Kendall mutation analysis, CV value calculation, frequency analysis and calculation, and the mean of variation interval were used to anal

4、yze the change of precipitation in friendship farm during 1981-2010 years. The results show that: on time, the annual maximum daily precipitation series of friendship farm is not obvious in time. And taking 6, 7, 8, September as a special month, and there are different trends in the time series. The

5、re are fluctuations in 6, 7, 8, and September cycles, and the variation trend of the whole friendship farm's precipitation series is not obvious in time. But in the time series, it showed a trend of sudden change, that is, it began to decline in 1998, and began to rise in 2009, and there was the

6、 same fluctuation state as the main cycle of each administrative division. Through CV calculation, we can also find that the variation degree of 6, 7, 8, September is greater than that of daily maximum daily precipitation, especially in July. The daily maximum frequency analysis 20%, 50%, 75% and ca

7、lculation indicated that the friendship farm's rainfall in recent 30 years is in good condition.Key words: Friendship farm Trend analysis Mann-Kendall mutation analysis CV value calculation Mean value of variation interval Analysis and calculation of daily maximum precipitation引言友谊农场号称中国第一农场，该农场

8、具有充足的水资源。因为农场位于内陆断陷第四纪间歇性沉陷的低洼地带，具备厚重、分散、含水较高的砂砾层。此外，松花江与七星河上游地下水含水层持续供应，以及自然降水，产生地下水位高，水量充沛，质量较好的充足水源，大致预估可知，该农场地下贮水大概三百亿立方米。中小规模水库9座，综合库容量1951万立方米，桥涵闸建筑物2695座，众多类型的排水站15座，治涝面积为1255905亩，灌溉面积498540亩，机电井1928眼，进而产生涝可排、旱可灌的完善配套项目。运用了趋势分析法，突变分析法，变异区间的均值，以及频率计算来研究友谊农场1981-2010年这三十年的气候变换特征，单一的从时间上分析了友谊农场水

9、资源的变化特征，本文通过及时更新降水数据研究此农场的降水变异特点，对了解此区域气候变化状况、全面使用天然降水资源，确保此农场农业种植和经济长久发展等具有积极价值。1 研究区概况友谊农场位于三江平原核心地带，地势平缓，土地连片，是我国最大的机械化国营农场。处于黑龙江佳木斯市东南，三江平原周围，场西南则是七星河，和宝清县炼金，西北地区是漂筏河、扁石河，和集贤、富锦市相互联系，锅盔山剩余地区位于西边，变成双鸭山市、集贤县的自然屏障，三江是众多荒原、长久积水的沼泽地，遥延挠力河谷与乌苏里江畔。如图一所示图一：友谊农场区域概况以友谊农场为研究单位，进行友谊农场的各月一日降水统计特征以及频率计算。2 数据

10、与分析方法2.1基本气象数据降水量信息源自黑龙江省气象资料的气象资料，因为 19802010 年期间内每月一日降水数据比较精准，所以选择此时间段内的降水观测信息当做本次分析的主要信息，利用汇总得知近三十年每月一日最高降水总量。再取6，7，8，9月为特殊值单独计算一次。2.2 降水量时间序列分析本文从趋势性、突变性与多个频率的降雨量三部分研究径流量时间序列。此处，趋势性研究使用趋势研究法，此方式可以轻松的得到长序列综合变化走势与特点，然而不能研究序列内部地细微突变特点。所以，本文在开展径流序列突变性研究时使用世界气象组织（）举荐的 突变研究法，此方式可得到长序列内部详细突变点与特点；上述方式当前

11、都不能准确研究长序列周期性变化特点，故利用频率计算（75%，50%，20%）来更加确切的了解其变化特征。2.2.1 趋势分析法把样本量是n的某气候变量使用x，代表，对照时间是t，代表，创建用来叙述x，和t，关系的一元线性的回归方程x=a+bi (i=1,2,n) (2-1)式中:a是回归常数，b是回归系数。最小二乘方式对a, b开展预估。对观测信息和其所对照的的时间t;、回归系数b、常数a开展最小二乘估计，主要是: b=i=1nxiti-1ni=1nxii=1ntii=1nti2-1ni=1nti2 (2-2) a=x-bt (2-3)此处x=1ni=1nxi,t=1ni=1nti其中:b是趋

12、势分析系数，b×10就是气候倾向率，单位则是mm/l0a。对于线性回归的统计结论，重点对回归系数b的正负开展研究，进而代表气候变量走势，也就是b>0时x随着t的增多而表现出提高趋势，b<0时x随着t的增加而降低。b值大小体现出变化速率。2.2.2 突变分析法假设一时间序列为x1,x2xn构造秩序列ri,ri代表在ji)时的样本累积数。定义: sk=i=1kri k=1，2，3，n (2-4) ri=1 xi>xj>00 0<xixj (j=1，2，n) （2-5）sk均值E(st)和方差Var(st)的定义如下： E（st）=nn-14 (2-6) Va

13、r(st)=nn-12n-572 （2-7）假定时间的序列随机独立，对统计量UFk作如下定义: UFk=Sk-ESkVarSk k=1,2，n (2-8)此处UFk=0 。 UFk是标准正态分布，k给定一显著水平，查找正态分布表得出临界值U，在UFk>U代表序列出现显著趋势变化，UFk在图中是UF。将此法使用到反序列内，反复上述统计环节，把计算值乘以-1得出UBk，UBk在图内使用UB代表，让UBi=0。利用统计序列UFk与UBk对序列x变化趋势开展深入研究，此外确定突变时间表明具体区域。假如UFk > 0，此时序列为上升走势;假如< 0，那么为降低走势;在其高于临界线时，此

14、序列变化趋势明显。水文时间序列突变点一般包含众多突变内容，直接表现出造成此突变的气候因素和大众活动等，然而趋势性研究只可以寻找到时间序列的所有变化走势，不能详细展现出序列内部的变化特点，所以使用M-K方式全面探究水资源量时间序列内的具体突变特点。2.2.3 cv计算变异系数（Coefficient of Variation）：在需要对比两组数据离散程度时，假如上述数据测量尺度差异明显，或者量纲出现差异，采用标准差来开展对比不符合需求，因此需要去除测量尺度与量纲的作用，其中变异系数就具备此功能，其是原始数据标准差和平均数的比。CV没有量纲，如此就能公正进行对比。实际上，可当做变异系数与极差、标准

15、差与方差那样，全部是表现数据离散程情况的绝对值。最终数据大小不只受到变量值离散情况的作用，此外也和变量值平均水平数有关。在概率论和统计学中，变异系数，又称“离散系数”（英文：coefficient of variation），是概率分布离散程度的一个归一化量度，其定义为标准差与平均值之比： 1  通常来说，变量值平均水平高，离散程度的测度值高，否则就小。 2  变异系数是评估数据内不同观测值变异程度的重要统计量。在对比两个或更多信息变异程度的时候，假如度量单位和平均数一样，可使用标准差进行对比。假如单位与（或）平均数不一样的时候，对比其变异程度就无法使用标准差，需要使用标准

16、差和平均数的比值（相对值）来对比。上述比值被叫做变异系数，也就是C·V。变异系数可弱化单位与（或）平均数不同对两个或更多信息变异程度对比的影响。变异系数统计公式是：变异系数 C·V =（ 标准偏差 SD / 平均值Mean ）× 100%在开展数据统计研究时，假如变异系数超过15%，需要思考此数据也许不正常，需要去除。2.2.4 日极大降水量频率分析  皮尔逊型曲线是一边有限一边无限的不对称单峰、正偏曲线，数学领域内被叫做伽玛分布，主要概率密度函数是:         

17、60;        其中：（）的伽玛函数；      、a0主要是皮尔逊型分布的形状尺度与位置未知参数，      0， 0 。非常明显的是，上述参数明确之后，此密度函数也可以被明确。因此可知，此参数和 、Cv、CS的关系为：                    &

18、#160;                     2、皮尔逊型频率曲线及其绘制    水文统计中，通常要指定频率P所对照的随机变量取值xp，主要对密度曲线进行积分，也就是:                得出等于和超过xp的累积频率P值。然后根据以

19、上公式统计P值相对复杂，因此主要方式是利用变量转换，得出下面的积分类型 :       式中被积函数仅包含待定参数CS，其余不同参数 、Cv均涵盖在 中。 ，x是标准化变量，被叫做离均系数。 均值是0，标准差是1。所以，要假设某个CS值，就能利用积分得到 和 两者的关系。对于众多确定的CS值， 的对照数值表，已多次被美国福斯特与前苏联雷布京设定出来，参考附表1"皮尔逊型频率曲线的离均系数 值表"。根据 就能得到对应频率 的x值：      

20、60;      按要求分别研究在20%，50%，75%概率的频率分析3 结果与分析3.1 趋势性分析如图3.1.1，年际变化上，近30年来友谊农场年径流量均呈降低趋势，为弱化周期波动对数据开展五年滑动平均，结论指出将近三十年径流量没有显著的总体变化趋势，属于波动状态。 图3.1.1由于每年6，7，8，9月份为较特殊，故取6，7，8，9月份为特殊值继续分析，如图3.1.2，年际变化上，近30年来友谊农场六月径流量均呈上升趋势，为弱化周期变动对数据开展五年滑动平均，结论指出三十年来六月径流量没有显著的总体变化走势，属于波动状态。图3.1.2如图3.1.3，

21、年际变化上，近30年来友谊农场七月径流量均为上升走势，为弱化周期变欧东对数据开展五年滑动平均，结论指出三十年来七月径流量没有显著的总体变化走势，属于波动状态。图3.1.3如图3.1.4，年际变化上，近30年来友谊农场八月径流量均呈降低趋势，为弱化周期变动对数据开展五年滑动平均，结论指出三十来八月径流量没有显著的总体变化走势，为波动状态。图3.1.4如图3.1.5，年际变化上，近30年来友谊农场九月径流量均呈降低走势，为弱化周期变动对数据开展五年滑动平均，结论指出三十年九月径流量没有显著的总体变化趋势，为波动状态。图3.1.53.2 突变性分析水文时间序列的突变点一般涵盖充足的突变内容，其表现出

22、造成变化的气候因素、大众活动的影响等，然而趋势性研究只能寻找到时间序列的综合变换趋势，不能详细体现出序列内部的变化特点，为进一步分析友谊农场近三十年日最大径流量以及，6，7，8，9月日变化趋势，目前使用 方式全面研究径流量的突变特点。 突变检验研究结论参考图3.2.1（图3.2.1内虚线代表 95%的显著性水 平的临界值）。友谊农场每年日极大值UF 和 UB 曲线有1998年与2009年两个交点，也就是在上述时间点出现突变，主要体现在友谊农场年降水量1998年之后表现出降低走势，然而在2009年后表现出显著提高的走势。 图3.2.1 年日极大值突变分析友谊农场每年六月份日极大值UF 和 UB

23、曲线存在5 个交点，分别为1981年和1982年和1996年和2001年和2009年，且五个交点均在临界线之间，你那么交点所对照的时间局势友谊农场每年六月日极大值降水量突变出现的时间。根据 UF曲线可知，友谊农场每年六月日极大值降水量从1996年和2001年开始均有明显下降的趋势。 图3.2.2 六月日极大值突变分析 友谊农场每年七月日极大值降水量变化趋势相对显著，其 UF-UB曲线在1986年、2006年、2008年都出现交点。此处农场七月日极大值年降水量2006年、2008年出现突变之后，表现出降低趋势，其中1986年之后开始出现上升走势。图3.2.3 七月日极大值突变分析友谊农场每年八月

24、日极大值降水量UF和 UB曲线有多个交点，即有多个突变点。 而由 UF曲线可知，友谊农场八月日极大值降水量变化趋势1982年和1991年和1995年和1998年和2000年和2005年和2007年均有交点，其中友谊农场八月日极大值降水量在1982，1991，1998，2000，2007均呈下降趋势，在1995呈现缓慢上升趋势，在2005呈现上升趋势图3.2.4 八月日极大值突变分析友谊农场九月日极大值降水量UF和 UB曲线有多个交点，即多个突变点，由 UF曲线可知，友谊农场九月日极大值降水量变化趋势在1980年1983年和1986年和1987年和1990年1993年和1995年和2004年20

25、07年均有交点，且在1980年和1987年和1990年和1995年和2007年呈下降趋势，在1983年和1986年和1993年和2004年均呈上升趋势。图3.2.5 九月日极大值突变分析汇总上述信息的突变特点，该农场年径流量和每年多个月份突变点都出现在二十世纪七十年代以及二十一世纪早期，其和二十世纪七十年持续增加农业开垦量，流域蒸发而造成径流量缩减有关；在二十世纪八十年代“家庭联产承包责任制”执行之后，农业种植自主性不断提升，我国农业发展结构调节得到大致成效，农业生产效率显著提升，工农业水资源损耗量增加，造成年径流量恢复水平降低；二十一世纪早期，伴随黑龙江省粮食产量持续提高，水资源用量特别是水

26、稻面积持续增加，此外水利工程建设不断增多，造成分析河段的年径流量降低。所以，该地区开始持续促进“节水增粮食”活动、自主宣传“节水控制灌溉科技”与促进“两大平原”当代农业基础配套改革实验方案的制定和贯彻。，此外突变点具备良好的同步性，其和本区域大众生活、社会生产力以及相关水文联系有一定关系。所以，要管控年径流的突变，需要约束大众日常活动、宣传科学节水技术等，此外也需要关注到上下游的发展。3.3 cv值计算分析 图3.3.1通过计算各年日极大值的cv=42.60，每年六月的cv=56.31，每年七月的cv=66.97，每年八月的cv=52.39。每年九月的cv=52.95，因为上述变异系数大于15

27、%的可能有问题，应该提出，但是求出五个值均大于15%，所以可以进行比较，由图3.3.1可知，6，7，8，9月份的变异程度均大于每年日极大值降水量的变异程度，且七月份尤为明显。3.4 日极大值降水量频率计算图3.4.1如图3.4.1是友谊农场近三十年日极大值降水量频率，由图可知有20%频率，年日极大值理论降水量应该为60，有50%的频率年日极大值降水量为40，有75%频率日极大值降水量为35。图3.4.2如图3.4.2是友谊农场近三十年六月日极大值降水量频率，由图可知有20%频率各年六月日极大值理论降水量应该为26，有50%的频率年日极大值降水量为15，有75%频率日极大值降水量为12。图3.4

28、.3如图3.4.3是友谊农场近三十年七月日极大值降水量频率，由图可知有20%频率各年七日极大值理论降水量应该为50，有50%的频率年日极大值降水量为25，有75%频率日极大值降水量为20。图3.4.4如图3.4.4是友谊农场近三十年八月日极大值降水量频率，由图可知有20%频率各年八月日极大值理论降水量应该为40，有50%的频率年日极大值降水量为24，有75%频率日极大值降水量为20。 图3.4.5如图3.4.5是友谊农场近三十年九月日极大值降水量频率，由图可知有20%频率各年九月日极大值理论降水量应该为24，有50%的频率年日极大值降水量为13，有75%频率日极大值降水量为11。4 结论（1）

29、通过趋势性分析法分析过后发现，近三十年径流量无明显的总体变化趋势，呈波动状态，并取各年6，7，8，9月为特殊月再次进行比较，发现也并无明显变化趋势。（2）在通过突变分析法分析近三十年友谊农场的情况发现，友谊农场各年日极大值UF 和 UB 曲线有1998年与2009年两个交点，也就是在上述两个时间点出现突变，主要是此农场年降水量1998年之后表现显著提高的走势，然而在2009年之后表现出显著降低的走势。并取各年的6，7，8，9月为特殊月再次进行比较发现，友谊农场各月的突变点明显增多，降水量也并不缺乏（3）通过cv计算，计算出各值均大于15%，正常应大于15%应该剔除，但是计算过后可以进行比较所以

30、6，7，8，9月份的变异程度均大于各年日极大值降水量的变异程度，且七月份尤为明显。并且各年日极大值的变异程度也不是很高，说明友谊农场的水资源没有出现过明显缺水的情况。（4）通过频率计算与分析法利用皮尔逊型曲线来进行友谊农场各年日极大值降水量的频率分析，绘制图发现友谊农场各年日极大值当频率为20%时，降水量大约为60，且取各年的6，7，8，9月为特殊月，当频率为20%时降水量分别大约为26，50，40，24。当频率为50%时，友谊农场各年日极大值降水量大约为40，且6，7，8，9月也分别大约为15，25，24，13。当频率为75%时，友谊农场各年日极大值降水量大约为35，且6，7，8，9月也分别

31、大约为12，20，20，11。通过各方面的研究发现，友谊农场近三十年的降水量并无特大变化，并且降水量充足。参考文献1王英，曹明奎，陶波，等全球气候变化背景下中国径流量空间格局的变化特征J地理研究2006,25（6）： 1 0311040.2袁喆，严登华，杨志勇，等19612010年中国400和800mm等雨量线时空变化J水科学进展，2014，25（4）：494502.3徐利岗，周宏飞，梁川，等中国北方荒漠区降水多时间尺度变 异性研究J水利学报，2009，40（8）：100210014陆志华，夏自强，于岚岚松花江佳木斯站径流变化规律及演变趋势分析J水电能源科学，2011，29（4）：1417.5

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