基于Mann-Kendall检验对近10年滨州市全年降水量的探究

2022-08-12杨继翔

农业灾害研究 2022年5期

杨继翔

山东农业大学，山东泰安 271018

自第一次工业革命以来，人类的生产力得到了质的飞跃，创造了巨大的效益，对周围环境也产生了影响，而且随着生产力水平的不断提升，人类对环境的影响越来越大[1]。进入21世纪之后，受到气候变化和人类活动的影响，流域水文要素也发生了变化，各种极端水文事件层出不穷[2]。水文要素是水文情势的主要物理量，也是反映河流水文情势变化的主要尺度，影响着人类社会的发展[3]。

在各项水文要素中，降水是重要的组成部分。针对我国降水量动态变化和人为影响因素，截至目前已经有大量研究学者对此方面展开了大量的实地调研、模型建立、水文演算，并可以初步分析出某一地区的降水变化情况[4]。基于Mann-Kendall检验法对滨州市2011—2020年全年降水量的年际变化进行分析，得出滨州市近10年来降水的统计特性，为市区合理开发利用水资源提供保障[5]。

1 研究区概况

滨州市位于36°41′19″N~38°16′14″N，117°15′27″E~118°37′ 03″E，东西最大跨径120 km，南北最大跨径175 km，总面积9 660 km2。该市属于温带大陆性季风气候，冬春风多雨少，夏秋炎热多雨，多年平均降水量为600 mm左右，多年平均水资源总量为30.67亿m3，其中多年平均当地水资源量10.16亿m3，多年平均客水资源量20.52亿m3，人均水资源占有量265 m3[6]。

2 研究数据

分析计算数据来自各年《山东省统计年鉴》各市降水量中的滨州市部分，所选取的资料系列从测验方法、条件以及水流特性等方面分析[7]，均达到行业标准，数据可靠且准确。

Mann-Kendall趋势分析法计算公式如下：

式中xk和xi为连续的气候、水文等数据序列，n为数据集合的总长度，t为每个单位的宽度，Σ表示所有单位的总和。

衡量趋势大小的指标：

式中1＜j＜i＜n，β代表的是斜率，正的则是上升，负的代表下降，值的大大小代表趋势明显与否。

Mann-Kendall检验如下所示：

零假设H0：β=0。

Mann-Kendall突变检验方法是应对不稳定且不连续的变化过程提出的检验方法，该方法对变化要素从相对稳定状态变化到状态的变化检验非常有效，计算相对简单[8]。这种方法经过气象水文专业使用后，排除外界相关影响因素效果良好且对其检验结果无影响，适用于非正态分布的水文气象资料[9]。Mann-Kendall突变检验方法如下。

对于有n个样本的时间序列x，构造一个秩序列：

可见，秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

式中，UK1=0，E(sk)和var(sk)是sk的均值和方差。

在x1，x2，…，xn相互独立，且相同连续分布时，由下式算出：

UF为标准正态分布，它是按时间序列x顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列。把再按时间序列的逆序xn，xn-1，…，x1，再重复上述过程，同时使UD=-UF，UD=0。给定显著性水平α，临界值，将UF和UD两个统计量曲线和显著性水平线绘在同一个图上。

在检验曲线图中，若UF线在临界线内变动，则表明变化曲线趋势和突变不明显；UF值大于0，则表明序列呈上升趋势，反之则呈下降趋势；当超过临界线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为突变的时间区域。如果UF和UD两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时间。

在计算结果中，若Z＜0，则表示滨州市降水统计量呈下降趋势；若Z＞0，则表示滨州市降水统计量呈上升趋势；若Z＝0，则表示滨州市降水统计量没有趋势。取z的绝对值和置信值的比较，得出在此种条件下有没有显著性趋势。当Z的绝对值≥2.32、1.64、1.28等数值时，则代表滨州市降水统计值的置信度分别为99.0%、95.0%、92.0%，即趋势性检验水平分别为0.01、0.05、0.10。

3 降水量分析

滨州市2011—2020年降水量分别为481.8、683.5、816.0、439.6、678.2、606.6、613.3、846.0、622.6、625.9 mm，变化趋势见图1。该市近10年平均降水量为641.3 mm，年际变化较大，在2018年达到最大值为846.0 mm，在2014年达到最小值439.6 mm，其极差为406.4 mm，比值达到1.92。该市年降水量呈现显著上升趋势，由线性拟合得到拟合方程：y=8.9097x-17316（R2=0.0454）。

图1 滨州市2011—2020年降水量趋势图

4 降水量变化分析

降水量变化分析是掌握一个地区降水环境的关键，为了进一步掌握滨州市的降水量的动态变化趋势，针对滨州市2011—2020年年降水量，使用Python-pymannkedall程序对10年进行编程分析：import pymannkendall as mk, data=[481.8，683.5，816.0，439.6，678.2，606.6，613.3，846.0 ，622.6，625.9]，mk1=mk.original_test(data), print(mk1)。程序得到参数：P=0.5915，Z=0.5367，Tau=0.1556，S=7.0，var_s=125.0，slope=4.825，intercept=602.5375。

Z值为正值，印证上升趋势，但分别都及Z的绝对值≤2.32、1.64、1.28，小于置信度为99%、95%、92%的显著性检验及趋势检验水平分别为0.01、0.05、0.10，说明在年降水量变化过程中，降水无显著性增长。

再分别计算2011—2020年月降水量：1月份Z=0.6286，S=8.0，上升趋势；2月Z=0.0000，S=1.0，无趋势；3月Z=0.8944，S=11.0，上升趋势；4月Z=1.0733，S=13.0，上升趋势；5月Z=0.3578，S=5.0，上升趋势；6月Z=-0.1789，S=-3.0，下降趋势；7月Z=-0.4490，S=-6.0，下降趋势；8月Z=1.7889，S=21.0，上升趋势；9月Z=-0.8944，S=-11.0，下降趋势；10月Z=-0.1789，S=-3.0，下降趋势；11月Z=-1.0733，S=-13.0，下降趋势；12月Z=-0.5367，S=-7.0，下降趋势。

其中，8月Z≥1.64，证明8月在为置信度95%呈上升趋势，其他月份均无显著性趋势。

根据Mann-Kendall检验法，计算出各年的UF和UD值，如表1所示，2011—2020年UF值分别为0、1、1.57、0、0、-0.19、-0.15、0.74、0.63、0.63，UD值分别为0.63、0、0.49、1.35、0.56、1.47、0.68、-0.52、1、0。

表1 Mann-Kendall检验年降水量双线值

如图2所示，滨州市2011—2020年的UF曲线和UD曲线在多处地方相交，分别在2011—2012年、2013—2014年、2017—2018年、2018—2019年、2019—2020年共5处交点，说明在这10年间滨州市年降水量处于不稳定状态，有5处疑似年降水量突变点，可后续结合小波分析法、滑动T检验法等方法进一步确定。

图2 Mann-Kendall突变年降水量相交图

5 降水量影响因素分析

作为全球各类生物生存的基本环境，气候在全球系统中扮演着最重要的角色，气候的任何变化都会直接或间接影响全球各个自然生态系统和社会系统，其影响效应有正有负。在全球变暖的趋势下，两极永久冰川、冻土和山顶积雪减少，部分河流径流增多，气温升高也导致蒸发量增加，降水变多，符合滨州市降水量连年增长的事实。目前，对于气候变化可能造成的极端天气的变化，如厄尔尼诺现象、干旱、洪水、热浪、雪崩、风暴、沙尘暴等，其机制尚不明确，发生频率和强度可能会提高。由这些极端事件引起的后果也会变得更加严重。如干旱发生频率和强度的提高，加剧草地土壤侵蚀，因而将扩大荒漠化或沙漠化的范围。

人类的生产力得到了质的飞跃，虽然创造了巨大的效益，但对周围环境也产生了影响。而且随着生产力水平的不断提升，人类对环境的破坏越来越严重。在人类日常生活和生产活动中，因化石燃料的大量燃烧而释放大量温室气体，环境也随之发生了变化。

6 建议

建立数据库，其建设内容主要由基础数据库、专用数据库、元数据库、主题数据库4个部分组成。

基础数据库储存水利及与水利密切相关行业的数据，我国基本已经建立水文数据库、水利工程数据库、水资源数据库、水土监测数据库、水环境监测数据库等数据库，这些基础数据库都具有共享性好、社会需求量大的特点。专用数据库基本涉及水利行业保密资料，不会轻易公开，该数据库以满足专业应用需求为主，原则上满足某一特定需求的数据都可进入该数据库。元数据库是对基础数据库和专用数据库各类实体数据进行描述的数据。主题数据库是数据仓库和数据挖掘技术在水利行业应用的重点领域，它是一个工程或项目概念。

气象部门要实现智慧化运行，打破行业信息壁垒，使得信息共享落于实处，加强与农业、林业、自然资源行业、环境监测行业的合作。针对降水变化的区域位置开展信息监测、分析评价、优化调度等方面的联动，推进各方工程业务的融合，构建信息共享平台，降低信息获取的时间成本。