综合考虑单调与非单调特征的季节尺度降雨趋势研究_魏炜.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 7;修订日期:2 0 2 3-0 3-0 9 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 2 6 9 0 0 2,5 1 9 6 9 0 0 4);广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2 0 2 2 K Y 1 1 3 2,2 0 1 9 K Y 1 3 4
2、5);广西交通职业技术学院校级科学研究项目(J Z Y 2 0 2 0 KA Z 1 0)通讯作者:莫崇勋(1 9 7 4),男,广西忻城人,广西大学教授,博士生导师,博士;E-m a i l:5 1 3 8 8 2 5 9 3 q q.c o m。引文格式:魏炜,莫崇勋,覃家飞,等.综合考虑单调与非单调特征的季节尺度降雨趋势研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):5 7 1-5 7 8.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 5 7 1综合考虑单调与非单调特征的季节尺度降雨趋势研
3、究魏炜1,莫崇勋2,3*,覃家飞1,汪钥龙1(1.广西交通职业技术学院 土木建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 2 3;2.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 0 4)摘要:为了更为科学、综合、全面地分析降雨的趋势特征,基于广西龙滩流域5 8年降雨数据,首先采用线性趋势分析法分析龙滩流域季节尺度降雨的总体单调趋势变化速率,然后结合S p e a r m a n秩次检验法、K e n d a l l秩次检验法以及M a n n K e n d a l l趋势分析法分析降雨总体单调趋势的显著性程度,最后提
4、出利用改进的I T A方法进一步挖掘降雨序列存在的非单调局部趋势特征。结果表明:龙滩流域春、秋两季降雨分别以速率-6.6 3 5mm/1 0a和-7.4 2 9 mm/1 0a呈 现 总 体 单 调 减 少 的 趋 势 特 征,而 夏、冬 两 季 降 雨 则 以 速 率1.5 1 1mm/1 0a和0.2 3 1mm/1 0a呈现增加的趋势;龙滩流域四季降雨总体变化趋势显著性程度不高,属于非显著性的上升或下降趋势;四季降雨局部非单调趋势特征较为明显,其中春秋两季降雨呈现出下降的局部趋势,其 非 单 调 趋 势 显 著 指 标 值 在 低 值 区 分 别 为-0.0 3%和-1 9.4 3%,在
5、 高 值 区 分 别 为-9.6 4%和-8.3 2%,夏季降雨则出现低值区下降而高值区上升的非单调局部趋势特点,冬季降雨呈现出上升的局部趋势特征,其中上升较为显著的是高值区降雨。关键词:M a n n K e n d a l l趋势分析法;改进趋势分析法;单调趋势;非单调趋势;季节尺度降雨中图分类号:TV 1 2 4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 5 7 1-0 8As t u d yo f s e a s o n a l s c a l e r a i n f a l l t r e n d s i n t e g r a t i n
6、 gm o n o t o n i ca n dn o n-m o n o t o n i c f e a t u r e sWE IW e i1,MOC h o n g x u n2,3*,Q I NJ i a f e i1,WAN GY a o l o n g1(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iT r a n s p o r tV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,N a
7、n n i n g5 3 0 0 2 3,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;3.G u a n g x iK e yL a b o r a t o r i e so fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dE n g i n e e r i n gS a f e t y,N a n n
8、 i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oa n a l y z et h et r e n dc h a r a c t e r i s t i c so fr a i n f a l lm o r es c i e n t i f i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y,b a s e do n5 8y e a r so fr a i n f a l ld a t ai nt h eL o n g t a nw a t e r s h e do fG u a n
9、g x i,t h e广西大学学报(自然科学版)第4 8卷p a p e r f i r s t l ya d o p t s t h e l i n e a rt r e n da n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h eo v e r a l lm o n o t o n i ct r e n dc h a n g er a t eo fs e a s o n a l-s c a l er a i n f a l li nt h e L o n g t a n w a t e r s h e da n dt h e nc o m b i n
10、 e st h eS p e a r m a nr a n ko r d e r t e s t,K e n d a l l r a n ko r d e r t e s t a n dM a n n K e n d a l l t r e n da n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h es i g n i f i c a n td e g r e eo ft h eo v e r a l lm o n o t o n i ct r e n do fr a i n f a l l.F i n a l l y,t h ei m p r o v
11、e dI T A m e t h o d w a sp r o p o s e dt of u r t h e re x p l o r et h en o n-m o n o t o n i cl o c a lt r e n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h er a i n f a l ls e r i e s.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo v e r a l lm o n o t o n i ct r e n do fr a i n f a l li n s p r i n g a n d a u
12、t u m ni s d e c r e a s i n g a tt h er a t e s o f-6.6 3 5 mm/1 0 a a n d-7.4 2 9mm/1 0a r e s p e c t i v e l y.Wh i l e t h e i n c r e a s i n g t r e n do f r a i n f a l l i ns u mm e r a n dw i n t e r i s1.5 1 1mm/1 0a a n d0.2 3 1mm/1 0a.T h e l o c a l n o n-m o n o t o n i c t r e n dc h
13、 a r a c t e r i s t i c s o f r a i n f a l li na l ls e a s o n sa r e m o r eo b v i o u s,a m o n g w h i c hr a i n f a l li ns p r i n ga n da u t u m ns h o w sad e c r e a s i n gl o c a l t r e n d,a n d i t sn o n-m o n o t o n i c t r e n ds i g n i f i c a n t i n d i c a t o rv a l u e
14、sa r e-0.0 3%a n d-1 9.4 3%i nt h el o w-v a l u ea r e a,a n d-9.6 4%a n d-8.3 2%i nt h eh i g h-v a l u ea r e a,r e s p e c t i v e l y.Wh i l e r a i n f a l l i ns u mm e r s h o w s an o n-m o n o t o n i c l o c a l t r e n do f d e c r e a s i n gi nt h e l o w-v a l u e a r e aa n d i n c r
15、 e a s i n g i n t h eh i g h-v a l u e a r e a c h a r a c t e r i s t i c s,a n dw i n t e r r a i n f a l ls h o w sar i s i n g l o c a l t r e n dc h a r a c t e r i s t i c,w h e r e t h er i s e i sm o r es i g n i f i c a n t i nt h eh i g h-v a l u ea r e ao f r a i n f a l l.K e y w o r d
16、s:M a n nK e n d a l lt r e n da n a l y s i s;m o d i f i e dI T A m e t h o d;m o n o t o n i ct r e n d;n o n-m o n o t o n i c t r e n d s;s e a s o n a l s c a l er a i n f a l l0 引言温室气体排放导致的全球变暖和气候变化仍在加剧,受气候变化的影响,降雨变化特征更趋复杂化。其中,降雨的增加或减少趋势特征与日愈频发的洪旱灾害密切相关,因此受到国内外学者的广泛关注。A i s u b i h等1采用T h e i
17、 l S e n方法和M a n n K e n d a l l方法分析了沙特阿拉伯阿塞尔地区近5 0年降雨时间序列趋势特征,发现当地大部分站点降雨量呈现下降趋势,并且建议在设计未来农业战略、国家粮食安全政策以及水资源规划和管理时应考虑降雨量下降和不稳定的趋势;为了探讨意大利南部的降雨量趋势,C a l o i e r o等2采用线性趋势分析法、M a n n K e n d a l l非参数检验和T h e i l S e n估计法分析了该地降雨量序列中的趋势特征及其显著性,结果表明该地区的东北部年降雨量呈现出减少趋势;金科等3采用M a n n K e n d a l l趋势检验方法分析了
18、太湖流域自2 0世纪8 0年代中后期以来的降雨变化趋势,结果表明降雨量呈现逐年增加趋势,且降雨量的增加是导致太湖水位上升的主要原因;张文4依据蚁蚂吐河流域近6 0年降雨量序列资料,采用线性回归和M a n n K e n d a l l趋势分析法综合分析降雨趋势性特征,表明降雨量总体呈微弱减少趋势;莫崇勋等5基于广西典型岩溶区流域近5 0年的降雨数据,采用线性趋势法、滑动平均法、距平百分比等研究了该区域降雨变化趋势,结果表明在时间尺度上年降雨呈减少趋势特征,减少速率达为3 5.3mm/1 0a;吴卫熊等6基于广西地区4个主要气象站的降雨资料以及木薯生育期的观测资料,采用线性趋势分析法研究了广西
19、木薯主产区内有效降雨量及木薯各生育期需水量的变化趋势,结果表明木薯全生育期有效降雨量及需水量均呈现减少的趋势。综上,国内外学者在降雨趋势研究工作中取得了一定的成果,但是所得结果和相关结论仅能反映降雨趋势单调的和总体的变化趋势特征,而未能充分体现降雨变量非单调和局部的趋势变化规律。由于降雨的复杂性和非线性,降雨时间变量通常存在几种不同的局部趋势,且这些局部趋势往往与总体趋势存在一定差异,甚至可能与总体趋势特征完全相反,因此,精确地把握降雨总体单调趋势和局部非单调趋势,能够更全面、综合地认识降雨的变化规律,为当地水资源管理、洪旱灾害预警以及生态环境保护等提供更为客观、科学的参考依据。龙滩流域地处中
20、国低纬度地区,降雨既受到地理位置的影响又受到季275第3期魏炜,等:综合考虑单调与非单调特征的季节尺度降雨趋势研究风环流特征的影响,致使流域内旱涝灾害频发,给当地经济发展和人民生命健康安全带来严重的威胁,因此科学、合理、全面地分析流域降雨变化趋势特征是极其必要的。鉴于此,本文基于广西龙滩流域1 9 6 02 0 1 7年季节尺度降雨资料,首先采用线性趋势分析法分析降雨的总体单调趋势变化速率,然后采用S p e a r m a n秩次检验法、K e n d a l l秩次检验法以及M a n n K e n d a l l趋势分析法分析降雨总体单调趋势的显著性程度,最后采用改进趋势分析法(i n
21、 i v a t i v e t r e n da n a l y s i s,I T A)探讨降雨量存在的非单调局部趋势特征。1 研究区概况龙滩流域位于1 0 2 1 4 E1 0 7 3 2 E,2 3 1 1 N2 7 0 1 N,面积为9 85 0 0k m2,地势西北高、东南低。受副亚热带气候影响显著,夏季呈现出雨热同期的气候特征,冬季则干燥少雨,流域多年平均降水量超过13 0 0mm,多年平均气温约2 0,极端最高气温接近4 0,极端最低气温为-2.9。流域内的主要河流为红水河,在红水河的干流处建有龙滩水利枢纽工程,该工程以发电为主,兼有防洪、改善航运、水资源配置等综合效益,是仅次
22、于三峡水利工程的全国第二大水电站7。近几十年来龙滩流域气候变化特征显著,降雨量呈现减少的趋势,且空间分布差异性较明显8-9,但降雨变化趋势特征的单调与非单调性规律还未能被充分识别与掌握。本文基于广西龙滩流域1 4个主要气象站1 9 6 0-2 0 1 7年降雨资料,进一步分析该流域季节尺度降雨趋势演变特征。龙滩流域地理位置及气象站点分布1 0如图1所示。图1 龙滩流域地理位置及气象站点分布F i g.1 G e o g r a p h i c a l l o c a t i o na n ds t a t i o nd i s t r i b u t i o no fL o n g t a n
23、R i v e r375广西大学学报(自然科学版)第4 8卷2 研究方法首先采用线性趋势分析方法1 1分析降雨变化的速率,然后采用S p e a r m a n秩次相关法1 2、K e n d a l l秩次相关法1 3以及M a n n K e n d a l l趋势分析法1 4来进一步分析降雨的趋势显著性程度,最后提出采用改进的I T A法对降雨进行局部非单调特征进行分析。由于篇幅的限制,本节不再对趋势分析方法、S p e a r m a n秩次相关法、K e n d a l l秩次相关法以及M a n nK e n d a l l趋势分析法的具体计算步骤进行赘述。I T A法由S e n
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