多种变异点诊断方法在黄河流域干旱监测中的应用

2021-01-12郭经典宗东辉田青青

科技创新与应用 2021年3期

郭经典，宗东辉，田青青

（广东中灏勘察设计咨询有限公司郑州分公司，河南郑州 450046）

干旱灾害是发生频率最高、造成生态损失和社会经济最严重的自然灾害之一，对干旱变异点进行有效地识别具有十分重要的现实意义[1-2]。水文气象序列多个突变点检验的理论和方法一直是困扰气象和水文学家的难题之一，应当对目前普遍采用的研究方法进行综合比较，探讨造成计算结果出现差异的成因，归纳、总结和补充理论与方法，为今后水文气象序列变异的方法创新及合理正确的应用研究提供参考与依据。本文通过采用5种不同的突变检测方法，以标准化降水蒸散指数SPEI作为干旱指标，对1961～2015年黄河流域干旱的突变年份进行研究，进而揭示黄河流域干旱的变化特征和变异规律。

1 研究方法

1.1 Mann-Kendall非参数秩次相关检验法

曼-肯德尔（Mann-Kendall）检验法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从任一分布，也不受少数异常值的干扰，可以明确突变起始时刻并指出突变区域，因此成为一种广泛使用的突变检验法，其具体计算步骤参照文献[3]。

1.2 滑动T检验法

滑动T检验是通过考察两组样本平均值是否显著来检验突变，其基本思路是把时间序列中两段序列的均值有无显著差异当成来自两个总体均值有无显著差异的问题来进行，进而确定突变点，其具体计算步骤参照文献[4]。

1.3 有序聚类分析法

有序聚类分析法是一种推求时间序列可能突变点的有效方法，该方法实际上是推求最优的分割点，使得同类之间的离差平方和最小，而类与类之间的离差平方和相对较大。有序聚类法把离差平方和变化过程的谷底当作是发生时间序列突变的时刻，其具体计算步骤参照文献[5]。

1.4 Lepage法

Lepage法是一种双样本的非参数检验方法，其基本思想是把序列中的两个子序列看作为两个独立总体，经过统计检验后若两个子序列有显著差异，则把划分子序列的时刻当作为突变点，其具体计算步骤参照文献[6]。

1.5 B-G分割算法

B-G分割算法是由Bernaola-Galavan等人提出来的一种适合非线性、非平稳时间序列的突变检测方法。该方法与传统的突变检测方法相比，它基于t检验将非平稳序列分割成多个具有不同均值的平稳子序列，各子序列表征不同的物理背景，是一种可有效检测突变点的新方法，其具体计算步骤参照文献[7]。

图1 （a）M-K 检验曲线；（b）滑动 T检验曲线；（c）离差平方和变化过程；（d）Lepage法突变检测结果

图2 B-G分割算法突变检验结果

2 研究区概况与数据处理

黄河流域地理范围为 95°53'～119°05'E，32°10'～41°50'N，流域大部分属于半干旱与干旱地区，水资源条件匮乏，在气候变化与人类活动的综合影响下，易发生干旱灾害。气象数据为黄河流域各个站点的逐月降水与气温数据，来源于国家气象信息中心制作的中国地面气候资料月值数据集，个别站点缺失的数据按照线性回归法进行插补，时间序列为1961～2015共55年，计算可得气象干旱指标标准化降水蒸散指数SPEI值。

3 结果与分析

按照M-K突变检验法对黄河流域年SPEI时间序列进行突变分析（图1a），在±1.96信度线间UF和UB相交于2个点，分别对应的是1990年、1992年，即突变年份为1990年和1992年。均值突变可以较好地反映气候状况的变化，按照滑动T检验法对黄河流域干旱进行突变年份检验（图1b），步长设置为5，选取信度α=0.05，计算得出1996年为极值点，则突变年份为1996年。按照有序聚类法，得到黄河流域年SPEI的离差平方和变化过程（图1c），经计算得出1996年为极值点，则基于有序聚类法的黄河流域干旱突变年份为1996年。按照勒帕热法，给定显著性水平α=0.05，自由度为2的卡方分布临界值为5.99（图1d）。计算得到1992、1996年为极值点，且超过95%的显著性水平检验5.99，则突变年份发生在1992年和1996年。

图2为基于B-G分割算法的干旱突变年份检验结果，其中最小分割长度取15，显著性水平取0.95。根据B-G分割算法可得到1996、2002年为极值点，且超过95%的显著性水平检验，则突变点发生在1996和2002年。综合以上5种突变检验结果，可知气象干旱指标SPEI在1996年发生突变，1996年为黄河流域干旱的突变年份。