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西安市降水量的时序特性分析

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第l3卷O2期 南水北调与水利科技 South-to-North Water Transfers and Water Science 8L Technology VoL13 No.02 2015年6月 JurL 2015 西安市降水量 的时 序特性分析 乔 亮 ,钱会 ,高盼盼 (1.长安大学环境科学与工程学院,西安710054;2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,西安710054) 摘要:利用西安市1951年--2008年(20O6年缺测)的月降水量观测资料,采用线性拟合、云模型及Mann-Kendall突 变检验3种方法,分析了该地区降水量在丰水期、枯水期及全年三个不同时间尺度的时序特性。通过线性趋势拟合 分析可知,西安市近57年来降水量总体呈减少趋势,其减少速率为13.613 mrn/10al用云模型研究降水量分布的不 确定性,结果表明其分布的不均匀性为全年>丰水期>枯水期,不均匀性的稳定程度则与之相反;用Mann-Kendall 法分析降水量的突变情况,发现各时期的变化大都未达到显著性水平,只有丰水期和全年极少时域内存在明显 突变。 关键词:降水量;线性拟合;云模型;Mann-Kendall检验;西安市 中图分类号:P426.6 文献标志码:A 文章编号:1672—1683(2O15)OO2—0063—03 Analysis on the sequencial characteristics of precipitation in Xi an QIAO Liang .一.QIAN Hui 一.GAO Pan-pan , (1.School ofEnvironmental Science and Engineering,Chang ̄an University,XiJan 710054,China; 2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas,Ministry of Education,Xi'an 710054,China) Abstract:Wet season,dry season and annual precipitation records,from 1951 to 2008(1ack measurement of 2006)in Xi an are analyzed by the linear fitting,cloud model and Mann-Kendall abrupt change test.The linear fitting method is used to analyze the trend changes.Decreasing tend— ency of precipitation is known in last 57 years with 13.613 mm per ten years.The cloud model is used to research the uncertainty of precipitation distribution,the results show that the annua1>wet season>dry season in non-uniformity of distribution,while its stability is on the contrary. The Mann-Kendall is used to test the abrupt changes of precipitation,finding that precipitation abrupt changes among these periods do not reach significant level,but only in rarer time of wet season and annual exist ob ̄ous change ̄ Key words:precipitation linear fitting ̄cloud model;Mann-Kendall test;Xi an 西安市位于中国腹地黄河流域中部的关中盆地,南 丰水期、枯水期及全年3个不同时间尺度进行分析,其变化 趋势采用线性拟合、不确定性采用云模型、突变检验则采用 Mann-Kendall法。 靠北秦岭主脊,北跨渭河平原,地貌结构多样,海拔高差位居 全国各市之冠。受暖温带半湿润季风气候影响,其夏秋季高 温多雨,春冬季降水稀少。据统计,该地区2008年人均占有 地表水资源量不足380 ,仅相当于全国人均占有量的六分 之一;地下水资源严重超采,引起地下水位下降、地面下沉, 且近年来水质污染状况愈发严峻,污染正从地表向地下渗 透,这又加剧了水资源的短缺程度l_1]。大气降水作为水资源 1材料及方法 1.1 降水资料 西安市1951年一2008年(2006年缺测)的月降水量观 测数据收集自中国气象科学数据共享服务网。采用统计学 方法得出历年丰、枯水期及全年的降水量作为时序特性分析 的主要补给源,其丰枯程度将直接影响到水资源总量,进而 制约现代社会经济的可持续发展,因此对西安市降水量的时 序特性进行准确分析对于水资源的合理利用及降水的长期 预测具有十分重要的指导意义。 的目标,其中降水的丰枯期按4月一9月为丰水期,10月至 翌年3月为枯水期划分。 1.2研究方法 已有许多学者对降水量的时序特性做过分析,采用的方 法也多种多样,如线性回归、滑动平均 ]、累积距平、小波分 1.2.1 线性拟合 也称线性回归 ,是通过研究两个变量问的相关关系 得到某一趋势的数学方法。假设降水量Q与时间t满足一 析__3 ]、Mann-Kendall检验等。本文主要从西安市降水量在 收稿日期:2014—12—09 修回日期:2015-03—23 基金项目:水利部公益性行业科研专项经费项目(201301084) 作者简介:乔亮(1983一),男,甘肃临夏人,博士,主要从事水资源方面的研究。E-mail:qiang._liang@foxmail.corn |水|l丈l采资g濂 .63. 第13卷O2期・南水北调与水利科技・2015年6月 元线性回归方程: Q=at+b (£一1,2,3,…, ) 式中:参数。为降水量的变化趋势,当a>0时,降水量随时 间变化呈增加趋势,反之则减少,其绝对值的大小反映了此 种变化程度的显著与否。 1.2.2云模型分析 在实际生活中,人们通常习惯于用自然语言来划分、评 判事物所属的类别、等级,如降水的“多”与“少”。云模型 “] 即可实现这种不确定性语言与定量数值之间的自然转化,它 年份 图l丰、枯水期变化趋势 1000 900 舶0 700 是在传统模糊数学和概率统计交叉渗透的基础上建立起来 的,通常根据无确定度的逆向正态云发生器(算法1)统计出 降水数据所对应的数字特征(Ex,En,He)作为云模型的定性 概念(在数据未知情况下可以人为给定),随后采用正向正态 云发生器(算法2)获得一系列云滴并构成云图,从云图便可 直观的反映出降水量随时间变化的不确定性程度。 算法1 算法2 输入:样本点z 磊 特征 如, , 生成云 (E 输 : 字特征 输出:,西 ,HP) 。  个云滴(“”  ,… )  f一b unct ion , ackcloud(m]fl  ) uncti。non  ELx,u ̄uj=cl1 d(oud(ExEx,’ E—n,’ 胁,’ Jn)  Ex=mean(x); 求平Enn=normrnd(En,He'2,1, ); 生成以 均值 En为期望,He 2为方差的正态随机数 for k一1 1 c 一 一, :” 以E( )一normrnd(Ex,E n 2,1,n);x为期望,西玎2为方差的正态随 薮‘ 生成  En=mean(abs(x(i)一U( )一exp(一(z(k)一Ex) 2/(2*Enn Ex))*sqrt(pi/2); ( )一2))); 计算隶属度 EH 叩( ar( (i) n 2): end …“ end plot(x,“,’.’); 绘制云图 1.2.3 Mann-Kendal1突变检验 Mann-Kendall突变分析法l_6 是一种非参数统计检验 方法,其优点在于计算简便,不需要样本遵从一定的分布,且 不受个别异常值的干扰[13 15]而受到许多学者的青睐。许多 文献中对该方法均有详细介绍,此处不再赘述。 2结果与分析 2.1 变化趋势的线性分析 分别绘制丰、枯期及全年降水折线图并拟合一元线性回 归曲线(见图1、图2)。由图可以看出:西安市近57年来降 水量在不同时期的年际变化均呈减少趋势,其中全年降水量 的减少趋势最为显著,减少速率为13.613 mm/10a,丰水期 略为次之,减少速率为10.824 mm/lOa,而枯水期降水量减 少趋势则并不明显(速率2.789 mm/10a)。从降水折线图中 亦可看出,降水量在丰水期和全年的波动幅度较大,在枯水 期的波动则较为平稳,且历年来丰水期降水量均明显大于枯 水期,丰水期降水量的大小及其变化对全年降水量的影响较 为显著。 2.2分布的不确定性分析 由算法1分别计算各时期降水量云模型的数字特征(见 表】),其中Ex为多年来降水量大小的平均值,反映多年降 .64. 水 丈水 餐| 善咖 500 400 300 200 1951 1956 1961 l966 197I 1976 198l l986 1991 1996 2001 2007 年份 图2全年变化趋势 水的总体情况;En是熵,表示降水量大小相对于Ex的确定 度,亦可反映降水量相对于Ex的离散度,其值愈大,降水量 分布愈不均匀;He是超熵,即熵的熵,体现降水量离散度的 稳定性。通过算法2绘制出各期对应的隶属云图(见图3、图 4),从图中可看出:枯水期降水量最少,但分布却最为集中, 稳定性也最高;丰水期降水量虽远大于枯水期,但分布的不 均匀程度及不均匀程度的稳定性较大;全年降水量的分布最 为分散,稳定性也最小。通过云图并结合表1各时期降水的 云模型即可对其在时间尺度上分布的不确定性有更为直观 的认识。 表1 丰、枯水期及全年降水量的云模型 时期 (Ex,En,He) 丰水期 (433.96,109.25,15.97) 枯水期 (138.37,41.09,3.15) 全年 (573.33,120.87,39.69) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 魁 噬0.5 惴 0.4 3 0.2 n1 0 200 400 600 800 10(D l200 降水量/arm 图3丰水期、枯水期云图 2.3 Mann-Kendall突变分析 利用Matlab 7.1软件平台编程分别计算降水量在丰、枯 水期及全年的统计量UF 、UB ,同时获得检验图,见图5。 从图5看,降水量在1951年一1961年间呈增加趋势,且 于1958年达到显著性,1961年后则呈减少趋势;降水量在 1962年和1965年前后发生突变并以1965年的突变较为显 乔 亮等・西安市降水量的时序特性分析 图4全年云图 著。图6中,UF、UB曲线均处于临界区域内,说明降水在枯 水期的变化并不明显,但在1952年前后、1955年、1957年、 1967年、1968年、1971年末、2003年、2004年均有突变现象, 其中1971年末发生的突变最为显著;降水量在1953年一 1954年、1961年一1966年及1968年左右呈增加趋势,其余 年份呈则减少。图7中,降水量在1951年一1962年、1964 年一1965年两个时间段呈增加趋势,其余年份表现为减少趋 势;于1966年开始突变(降水量由多变少),在1979年至 1980年末、1982、1995、1997年各年前后及2001年一2003年 间突变均达到显著性水平。综合图5一图7,各时期大部分 的统计量位于95 置信区间[一1.96,1.96]内,且UF曲线 也大多位于零值以下,说明西安市1951年一2008年的降水 量整体呈减少趋势,这与线性拟合分析的结论一致。 4 ——UF统计量 …・ 3 . 昀 计量 ……-0 05显著水平 2 懈t 七 // 螺0 一I /‘  :也 _3 1955 l950 1965 1970 l975 1980 1985 1990 1995 20O0 2005 年份 图5丰水期突变检验 ——UF统计量 …・. , “蹴计量 ……-0 05显著水平 姆 A: 年份 图6枯水期突变检验 3结论 线性拟合、云模型及Mann-Kendall突变检验三种方法 一UF统计量 …・. “蹴计量 ……一005显著水平 咖 士 蠕 . V… V一 年份 图7全年突变检验 均能较好的反映西安市1951年一2008年(2006年缺测)降 水量的时序特性,但仅通过其中一种难以做出全面的分析。 综合上述三种方法可获得以下结论。 (1)西安市近57年来降水量总体呈减少趋势,其中全年 表现最为显著,减少速率为13.613 mm/10a,丰水期略为次 之,为10.824 mm/10a,枯水期为2.789 mm/10a。 (2)降水量的不确定性表现为分布的不均匀性及不均匀 性的稳定程度,其全年降水量的分布最为分散,稳定程度最 低,其次为丰水期,枯水期则相对集中,稳定性也高。 (3)降水量在各时期的变化大都未达到显著性水平,只 有丰水期和全年极少时域内发生显著突变,枯水期则突变点 较多,但变化幅度均较小,呈上下波动状。 (4)从降水量的线性趋势、不确定性及突变情况看,丰水 期和全年的变化状况均较相似,说明丰水期降水量的大小对 全年降水量的影响较为显著。 参考文献: [1]樊春贤.西安市水资源可持续利用的探讨EJ].地下水,2007,29 (1):17—19. [2]吴建华,李培月,钱会.西安市气象要素变化特征及可利用降雨 量预测模型口].南水北调与水利科技,2013,11(1):50—54. [3]张允,赵景波.西安市近55年来降水的多时间尺度分析[J].中 国农业气象,2008,29(4):406—410. [4]易淑珍,王钊.水文时间系列周期分析方法探讨[J].水文, 2005,25(4):26—28. [5]衡彤,王文圣,丁晶.降水量时间序列变化的小波特征[J].长江 流域资源与环境,2002,11(5):103—105. E6]赵华荣,夏北成,江学顶.桂林市近50年降雨变化特征分EJ]. 桂林理工大学学报,2011,31(2):202—206. E7]王颖华,张鑫.西宁市降水量特征及变化趋势分析_J].水土保 持研究,2011,18(5):156—160. r8] 陈敏.三门峡市近5O年降水变化趋势及周期分析[J].气象与 环境科学,2013,36(1):44—49. [9]李德毅,杜鹚.不确定性人工智能[M].北京:国防工业出版社, 2005. r1O]高文荣,段春青,陈晓楠,等.基于云推理的年降水预测模型 [J].中国农村水利水电,2009,(3):32—35. 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