水文序列趨勢性變化的常用分析方法與相關(guān)問題

1、水文序列趨勢性變化的常用分析方法與相關(guān)問題 【摘要】水文序列是水文特征值的一系列觀測值，它的特點是隨時間變化。水文序列趨勢性變化的分析，可以研究某一時期內(nèi)某地區(qū)的趨勢變化情況，如果研究中發(fā)現(xiàn)了顯著的趨勢變化，則可進(jìn)一步研究其趨勢變化的因素，從而有針對性的探討解決方法，為人們起到警惕的作用。不同的水文序列趨勢性變化分析方法，具有自己的特點，能夠得到不同的分析結(jié)果。各種水文序列趨勢性變化分析方法，具有各自適用的范圍，不同的情況，應(yīng)選擇不同的分析方法。探討水文序列趨勢性變化的常用分析方法，分析其基本計算原理，為今后的水文序列趨勢性變化研究提供參考。【關(guān)鍵詞】水文序列；趨勢性；變化；常用；分析方法；相

2、關(guān)問題水文時間序列主要是指某中水文特征值一系列觀測值，它隨時間而變化。水文觀測值是一定時期內(nèi)，某一地區(qū)自然地理、氣候、人類活動等綜合作用的產(chǎn)物。觀測值隨著時間的推移越來越大，對長系列水文要素是否有趨勢性變化，很容易引起人們的關(guān)注。比如降水過程的緩慢逐年變多或變小的趨勢、氣溫過程的緩慢逐年變暖或變冷的趨勢等。通過分析，如果能夠發(fā)現(xiàn)有關(guān)某種趨勢變化，可對產(chǎn)生這種變化的原因作進(jìn)一步分析，從而可達(dá)到引起人們警惕的目的?？梢姡趹?yīng)對當(dāng)今全球氣候變暖、預(yù)測未來可能出現(xiàn)的大洪水或枯水、分析降水或徑流的變化趨勢等方面，水文時間序列的趨勢性分析顯得特別重要。本文探討了水文序列趨勢性變化的常用分析方法，分析了其基

3、本計算方法，討論了其相關(guān)問題，以為今后的水文序列趨勢性變化分析提供依據(jù)。1， 水文序列趨勢性變化的常用分析方法及其原理1.1累積距平法判斷變化趨勢的方法中，累積距平是一種比較常用的方法。在某一時刻t，對于水文樣本序列x1，x2，xn累積距平表示為：St=， 點繪出stt曲線，可根據(jù)曲線的變化進(jìn)行初步的趨勢分析。1.2線性傾向估計法ti時刻對應(yīng)的值在樣本序列x1，x2，xn中為xt，建立一個xi與ti之間的一元線性回歸：xi=A+Bti，其中i=1，2,3，n 式子當(dāng)中，B為回歸系數(shù)，A為回歸常數(shù)。利用最小二乘法對A和B進(jìn)行估計。變量x的趨勢傾向用回歸系數(shù)B的符號進(jìn)行表示，增加趨勢為正值，減少趨

4、勢為負(fù)值。變量xi與時間ti之間線性相關(guān)的密切程度，用相關(guān)系數(shù)r表示。只有對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，才能夠判斷變化趨勢程度是否顯著，對顯著性水平進(jìn)行確定，xi隨時間ti的變化趨勢是顯著的則r，變化趨勢不明顯則r。1.3滑動t檢驗任意選定已知的年徑流樣本序列x1，x2，xn中的一年，分別取其前相鄰的連續(xù)n1年的年徑流值和其后相鄰的連續(xù)n2年的年徑流值，對其統(tǒng)計量T值進(jìn)行計算。T= 其中和s1分別為前n1年的均值和方差，和s2分別為n2年的均值和方差，將T值計算出來之后，再對信度進(jìn)行檢驗。1.4游程檢驗法(輪次檢驗)相對應(yīng)的距平序列x1，x2， ，xn根據(jù)已知的水文樣本序列x1，x2，xn求出，其

5、中。如果用符號“+”表示xi0，用符號“-”表示xi0，一個游程為連續(xù)出現(xiàn)相同符號，將整個序列出現(xiàn)的總游程數(shù)統(tǒng)計出，樣本序列沒有明顯的變化趨勢為游程檢驗的原假設(shè)。序列中“+”出現(xiàn)的總數(shù)為n1，序列中“-”出現(xiàn)的總數(shù)為n2，根據(jù)游程檢驗的分布表，某一顯著水平選取出來作雙邊檢驗，上限上和下限下查/2游程檢驗分布表得到。在實際樣本計算中，如果其值在上限和下限之間，則接受原假設(shè)，反之則拒絕原假設(shè)。如果n1或n2在實際分析中大于15的時候，則可用以下方法檢驗：統(tǒng)計量選擇一個，近似服從N(0,1)分布。其中 在實際計算中，當(dāng)U的時候，則認(rèn)為樣本序列無明顯變化趨勢，接受原假設(shè)。1.5Mann-Kendall

6、法這個方法中假設(shè)水文樣本序列x1，x2，xn服從正態(tài)分布，是平穩(wěn)的時間序列，各樣本之間是相對獨立的。某一元素xi假設(shè)大于前面元素xi-1，xi-2，x2，x1的累積數(shù)為mi，其中，總的累積數(shù)計為：，其中k=2,3，n 而計算新建序列d2，d3，dn的均值和方差公式為： 標(biāo)準(zhǔn)化新建序列得： 所以，U(dk)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)：序列無趨勢變化。給予雙邊趨勢檢驗，其臨界值U/2查正態(tài)分布表得到，要在給定一顯著性水平下查得，接受原假設(shè)條件為U/2，這個時候序列無趨勢變化；拒絕原假設(shè)的條件為U/2，這個時候則表明序列存在一個明顯的減少或增長趨勢。所有U(dk)組成一條曲線，這條曲線是隨時間變化的，

7、這條曲線如果在置信區(qū)間-U/2到+ U/2之間，則表明原序列不存在趨勢變化，否則表明原序列存在顯著的趨勢變化。2， 相關(guān)問題當(dāng)序列趨勢變化比較明顯的時候，運用線性傾向、累積距平等方法，通過有關(guān)變化曲線圖的繪制，可直觀進(jìn)行判斷1。但是，不具有明顯的趨勢變化的時候，有時運用這種直觀判斷則不夠可靠或者較為困難，這個時候的判別就需要借助如Mann-Kendall法和游程檢驗法等統(tǒng)計檢驗方法進(jìn)行2。運用不同的分析方法對同一序列進(jìn)行分析，其結(jié)果可能不完全一致，特別是運用統(tǒng)計檢驗方法分析趨勢變化不很明顯的時候，因為這些統(tǒng)計檢驗方法與置信水平取值有關(guān)，且其本身也有一定的假設(shè)前提3。以上所介紹的水文序列趨勢性變

8、化分析方法，也只能夠判斷水文序列是否具有趨勢變化，而趨勢變化的具體原因分析，還需要通過影響該水文序列的其它因素的變化進(jìn)行探討4?；瑒觮檢驗的實質(zhì)主要是檢驗是否具有顯著突變的兩個樣本的平均值的差異，選擇一個水文序列的一個突變點之后，分別選取了其前容量為n1以及其后容量為n2的兩個樣本5。很明顯，不同的n1及n2選擇，以及不同的突變點的選擇，均會對結(jié)果帶來影響。其具體的不同選擇結(jié)果差異性，還可作進(jìn)一步的探討研究。Mann-Kendall法可進(jìn)行趨勢檢驗，此外，該方法還可大致判斷突變點，其具體作法是：反序列排列原序列，再將上述計算過程重復(fù)，在式中乘以-1，得到-U(dk)=U(dk)。點繪kU(dk)曲線，當(dāng)C1與C2兩條曲線的交點處在信度線之間的時候，則突變點的開始點可能就是此點。參考文獻(xiàn)：1宋萌勃.黃錦鑫.水文時間序列趨勢分析方法初探J.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2009，24(4):35372于延勝.陳興偉.R/S和Mann-Kendall法綜合分析水文時間序列未來的趨勢特征J.水資源與水工程學(xué)報.2009，19(3):110311043李亞嬌.沈冰.李智錄.鄭志國.基于趨勢辨識理論的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在水文時間序列預(yù)報中的應(yīng)用J.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報.2009，37(1):4995004劉星才.許有鵬