趙大壯
(伊犁水文勘測(cè)局,新疆 伊寧 835000)
Kendall秩次檢驗(yàn)法分析趨勢(shì)性時(shí),在時(shí)間序列T1,T2…,Tn中,確定i<j條件下所有對(duì)偶值(Ti,Tj)中出現(xiàn)Ti<Tj的次數(shù)di,通過如下公式計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U:
若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U >0,該序列為遞增趨勢(shì),反之趨勢(shì)遞減。
應(yīng)用R/S 技術(shù)進(jìn)行伊寧縣關(guān)鍵氣候要素變動(dòng)趨勢(shì)的時(shí)間序列分析,并借助Hurst指數(shù)具體取值進(jìn)行這一時(shí)間序列趨勢(shì)變動(dòng)規(guī)律及關(guān)鍵點(diǎn)特征持續(xù)情況分析與驗(yàn)證。根據(jù)得出的Hurst指數(shù)H(0<H<1)分三種情況:當(dāng)0<H<0.50時(shí),表現(xiàn)為反持續(xù)性,總體趨勢(shì)與過去相反;當(dāng)0.50<H<1時(shí),表現(xiàn)為持續(xù)性,總體趨勢(shì)與過去相同;當(dāng)H=0.50時(shí),時(shí)間序列為隨機(jī)序列。
功率譜分析法進(jìn)行降水、氣溫等關(guān)鍵性水文要素所對(duì)應(yīng)的非平穩(wěn)序列量化確定以及所對(duì)應(yīng)的內(nèi)部不同周期振動(dòng)結(jié)構(gòu)分析的過程中,基于頻率的視角根據(jù)各參數(shù)量方差值的大小,進(jìn)行不同頻率振動(dòng)結(jié)構(gòu)量化分解,得到在振動(dòng)結(jié)構(gòu)總變動(dòng)量中貢獻(xiàn)最大頻率所在,進(jìn)而根據(jù)周期頻率與影響變量對(duì)應(yīng)關(guān)系,在得出譜分析優(yōu)勢(shì)頻率基礎(chǔ)上,得出時(shí)域上同樣占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)的周期因子,并得到是否存在顯著性差異的結(jié)論。若是差異顯著,則非周期過程不是譜估計(jì)值產(chǎn)生的原因,有周期存在;如果差異不顯著,則周期不存在。
Mann-Kendall檢驗(yàn)法(計(jì)算公式見文獻(xiàn)[4])采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),且在分析過程中并不要求樣本必須遵從一定的函數(shù)分布趨勢(shì),計(jì)算及分析過程均較為簡(jiǎn)便。
累積距平法直觀地通過曲線判斷變化趨勢(shì),在診斷分析中,常用距平序列代替變量本身,算出n 個(gè)時(shí)刻的累積距平值便可得到累積距平曲線,由曲線直觀判斷突變發(fā)生的時(shí)間。假設(shè)某一時(shí)刻t在一時(shí)間序列yi中的累積距平為y,則
降水量及氣溫趨勢(shì)性采用Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)法,持續(xù)性采用R/S 法,周期性采用功率譜分析法,突變性采用Mann-Kendall法及累積距平法共同分析。
降水資料:使用伊寧縣境內(nèi)托海水文站1955-2019年的年降水量距平資料,數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度為65年。
氣溫資料:使用伊寧縣境內(nèi)托海水文站1957-2019年的年平均氣溫距平資料,數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度為63年。
對(duì)托海水文站多年降水量距平的年際變化和年內(nèi)分配計(jì)算顯示,1955-2019 年降水量為快速波動(dòng)上升趨勢(shì),2008 年達(dá)到最小值,2016年升至最大值,同時(shí)降水量1995年接近歷史最小值,1998年接近歷史最大值,從圖1中看出20世紀(jì)末及21世紀(jì)初,降水量變化非常劇烈。降水量年內(nèi)分配情況顯示,春夏季降水量占全年降水量56.60%,而在冬季開始的一段時(shí)期,降水量占比增加。進(jìn)一步分析可知,全年1、2、9、10 四個(gè)月降水量最小,由此可見伊寧縣境內(nèi)降水量主要集中在春夏季,開春前和立秋前后降水量較少。
圖1 降水量年際和年內(nèi)變化
對(duì)托海水文站多年氣溫距平資料進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析,1957-2019 年平均氣溫總體表現(xiàn)為快速的波動(dòng)上升趨勢(shì),在1960年出現(xiàn)最低平均溫度,在2007年出現(xiàn)最高平均溫度,1983年及2000年前后,氣溫變化劇烈,其他年份變化比較平緩。由氣溫的年內(nèi)變化情況可知,開春前及冬季氣溫最低,春夏季氣溫最高。5-9 月出現(xiàn)全年最高氣溫,而1、2、12 氣溫較低,由此可見伊寧縣境內(nèi)氣溫春夏季高,開春前及冬季氣溫低。
托海站年降水量距平周期結(jié)果主要通過采用功率譜分析法而得出,所對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)r(1)=3.63E-02>0,具體的序列應(yīng)當(dāng)通過紅色噪聲譜加以校驗(yàn)和分析。當(dāng)波數(shù)取7、信度取0.05 的情況下,所對(duì)應(yīng)的平滑譜為852.54 及相應(yīng)否定域上界845.06,前者大,表明序列存在顯著的5.71年周期。
托海站年平均氣溫距平周期結(jié)果同樣采用功率譜分析法得出,當(dāng)自相關(guān)函數(shù)r(1)=0.26>0時(shí),意味著通過紅色噪聲譜進(jìn)行結(jié)果校驗(yàn)切實(shí)可行。當(dāng)波數(shù)取16、信度取0.05的情況下,所對(duì)應(yīng)的平滑譜為4.51E-02 及相應(yīng)否定域上界3.64E-02,前者大,也從側(cè)面反映出該序列所對(duì)應(yīng)的顯著周期為2.50年。
結(jié)合Mann-Kendall法和累積距平法分析托海站年降水量突變特性。從圖2 看出,曲線UF 與UB2000 年左右及2008-2014 年間有多個(gè)相交點(diǎn),且相交點(diǎn)均在置信區(qū)間內(nèi),表明出現(xiàn)降水量突變,而且UF 曲線2014 年與UB 相交后迅速上升至+1.96,說明降水量存在少到多的顯著性突變。由圖3 看出,2000 年前后有明顯上升趨勢(shì),2008-2014 年漲落不明顯。托海站年降水量序列顯著突變發(fā)生在20世紀(jì)末。
圖2 降水量距平MK值
圖3 降水量累積距平值
結(jié)合Mann-Kendall法和累積距平法分析托海站年平均氣溫突變特性。曲線UF 與UB 在1983 年及2001 年有兩個(gè)相交點(diǎn),其中只有2001年的相交點(diǎn)在置信區(qū)間內(nèi),表明這段時(shí)間有出現(xiàn)氣溫的突變,而且UF 曲線與UB 在2001 年相交后迅速上升至+1.96,說明氣溫存在少到多的顯著性突變。2000 年前后有明顯上升趨勢(shì),1983年前后氣溫變化不明顯。因此,托海站年平均氣溫序列顯著突變發(fā)生在2000年前后。
①1955-2019 年降水量為顯著遞增趨勢(shì),未來仍會(huì)持續(xù);春夏季降水量占全年降水量56.60%,降水量主要集中在春夏季;1957-2019年氣溫為顯著遞增趨勢(shì),未來仍會(huì)持續(xù);春夏季氣溫最高,開春前及冬季氣溫最低;②年降水量序列具有顯著的5.7年周期;年平均氣溫序列具有顯著的2.5年周期;③降水量由少到多的顯著突變發(fā)生在20 世紀(jì)末;氣溫由低到高的顯著突變發(fā)生在2000年前后。