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对伊朗西南部年、季降水量和气温趋势分析和突变点检验

摘要：

本文对伊朗西南部1950年-2007年的年、季降水量，平均气温、最高气温与最低气温数据，进行趋势变化分析及突变点检验，并选取50个降水站和39个气温站进行调查研究。运用Pettitt 检验、SQ-MK检验与MK检验进行分析。结果表明，大多数降水站点的年、季降水量趋势不明显，个别站点冬季出现最大降水量且具有显著趋势，但夏季降水量并无显著趋势。另外，年、季降水量序列的统计量检验显示没有明显的下降趋势。气温变化趋势分析的结果显示春季和夏季具有显著的升温趋势。最高气温比平均气温和最低气温稳定，且与其他三季相比，冬季气温更稳定。突变检验表明最高气温、最低气温与平均气温的突变点均出现在90年代。

1. 介绍

在过去的100年中，全球气候产生了巨大的变化。在上个世纪，全球平均地面气温已经上升了0.74℃。许多原因导致了气候突变，例如气温上升，积雪融化，降水模式改变等。气温和降水量趋势变化是现在气候学研究热点之一。降水量和气温的变化并不是全球统一的。区域变化差异可能很大，且不同的气候区域可能存在着极大的时间及空间的差异。在伊朗，尽管该地区正在遭受严重的环境、农业、水资源等问题，对于气温和降水量长期变化趋势的研究与数据继续被忽视。伊朗地处中纬度干旱区，雨水是该地区唯一放心的再生水源，因此降水和气温的显著趋势对伊朗的水资源管理具有重要意义。

来自世界各地的学者对气温和降水量变化趋势的分析与突变点检验进行研究。伊朗科学家对气温和降水量进行的如下研究：1997年，Alijani利用M-K检验法对1951年-1903年大不里士、德兰黑、伊斯法罕和布什尔等站的平均气温进行研究，他的调查结果并未说明任何显著广泛的气候改变，但站点具有气候波动的特点。另外，冬季气温呈平稳序列具有轻微的降温趋势，而其他季节变化则表现出明显的变化，且发现研究周期的下半年呈变暖趋势。Boroujerdy(2008)使用M-K检验分析1960年-2001年的各站年、季降水量的变化趋势，检验结果表明在西部、西北部、东南部，年降水量具有下降趋势，在伊朗的其他站点中，年降水量则呈上升趋势，且春季降水量下降趋势最明显。Tabari和Hosseinzadeh Talaee(2011)利用Mann-Kendall检验和Mann-Whitney检验对1966年-2005年伊朗29个站点的气温序列进行分析，结果显示在29个站点中，年平均气温上升至25℃，且其中17个站点具有显著趋势，分析还表明除了一些沿海的站点，大多数站点的显著突变点为1972年。Modarres and da Silva(2007)运用M-K检验分析了分析了伊朗20个台站的年降水量、梅雨数和月降水量，并评估伊朗干旱半干旱地区的气候变化，他们的研究结果表明，在干旱和半干旱的环境中，伊朗没有明显的气候变化。Tabari和Hosseinzadeh Talaee (2011b)利用M-K检验、Sen趋势度估计法、线性回归对1966年-2005年伊朗41个台站测定降水量变化趋势，他们利用ESS法消除M-K检验滞后序列相关性的影响，结果表明，7个台站的年降水量呈明显下降趋势，且冬季降水量明显高于其他季节。Tabari和Hosseinzadeh Talaee (2011c)利用M-K检验、Sen趋势度估计法、线性回归法对1966年-2005年伊朗西半部的年、季、月的最高气温与最低气温进行分析，他们确定了85%的台站具有增暖趋势，但有些台站并不显著。此外，研究表明大多数台站变暖趋势在夏季非常显著，尤其是8月。

大多数伊朗科学家只关注单气候参数。在此研究项目中，考虑了更多的气候参数，并运用三种统计检验方法分析研究区域气候的趋势变化和突变点检验。本文主要研究伊朗西南部1950年至2007年的年、季降水量、平均气温、最高气温、最低气温的变化趋势，运用Pettitt检验、SQ-MK检验与MK检验求得突变点。
2.方法论

2.1 研究区概况与数据

本文研究伊朗西南部，特别是伊斯法罕省，察哈尔玛哈巴赫蒂亚里省，库赫吉卢耶省，博耶艾哈迈德省，洛雷斯坦省和胡齐斯坦省。该地区面积231547平方公里，约占伊朗14%的国土面积，位于北纬29°56rsquo; -31°9rsquo;，东经51°25rsquo;-55°33rsquo;。从地质学的角度来看，这一地区可以分为东部平原，西部平原，西南部平原和扎格罗斯山脉。这个地区从海拔0米的沿海地区的波斯湾至海拔4430米德纳山。

从伊朗气象组织伊斯兰共和国（irimo）和伊朗水资源管理组织获得的1950年-2007年月降水量和气温数据被用于统计分析。选取的50个降水站和39个气温站如图1所示，数据见表1。

图1 研究区域、降水台站及气温台站的地理位置

表1 各降水台站、气温台站的地理信息

月数据可转换为每个站点的季节数据和年平均数据。将季节定义如下：冬季（1月-3月），
春季（4月-6月），夏季（7月-9月）和秋季（10月-12月）。此数据可分析均匀性和缺失数据。Alex Anderson对数据进行标准正态检验方法检验（1986），Alex Anderson和Moberg对数据进行标准正态均一性检验。结果表明，数据是正态均匀分布的。

2.2方法介绍

Pettitt检验、SQ-MK检验与MK检验等三种统计方法已被广泛运用于研究中。接下来详细介绍三种方法。

2.2.1 Pettitt检验

此非参数检验方法由Pettitt改进，是研究气候突变发生的常用方法。使用此方法的原因之一是可以更灵敏的发现时间序列中的突变点。Pettitt检验后来被Kang和Yusof， Dhorde和Zarenistanak等许多人解释，计算方法如下：

首先构建统计量：

（1）

此时，对于样本容量为的气候序列，为对应的秩序列，取。

然后用定义突变点（SCP）：

（2）

当在某序列达到最大值时，则该序列出现突变点。该临界值为：

（3）

其中，临界值由观察值与显著性水平共同决定。

2.2.2 Sequential Mann–Kendall检验

1990年，Sneyers提出用SQ-MK检验估计显著趋势开始的年份。该方法有和，若它们有交点，则认为有显著趋势，它们的交点表示大约趋势开始的年份。其中，是具有零均值的标准化变量和标准差。因此，它的时序在零水平线附近波动。与值相同，均为从始至终的点。该方法考虑时间序列的相对值，并按一下步骤进行：

1） 将年平均时间序列与做对比，在每组比较中，的数量被计算并用表示。

1. 检验统计量通过公式（4）得到：

（4）

1. 检验统计量均值和方差为：

（5）

（6）

1. 统计量值的序列数值通过公式(7)计算得到：

（7）

类似的，为相反序列，开始于序列的末尾。该检验被认为是一种有效检测突变点的方法。与的交点就是趋势开始的时间点，本文中，95%置信水平的临界值为plusmn;1.96。

2.2.3 Mann–Kendall检验

MK检验是常用于检验水文和气象时间序列变化趋势的非参数检验方法。在该检验中，我们必须使用的相对值。因此，首先将用它的秩替代，例如每个值对应一个从1至的数字。

然后计算统计量P，步骤如下：

将第一个值的秩 与往后的第二个值到第个值的秩相比较，记下那些秩超过 的值的个数，并将这个数记为。接下来将第二个值的秩与其之后的值的秩相比较，记下那些秩超过的值的个数，并将这个数记为。持续这个过程直到该序列的每个值都以结束以及其相应的数为。

定义P统计量如下：

（8）

然后定义：

（9）

tau;的值可以被视为显著性检验的基础并与其进行比较：

（10）

其中，服从正态分布。

本文中，检验结果取95%置信水平。

3. 结果与讨论

基于Pettitt检验和SQ-MK检验，年、季降水量、平均气温、最高气温与最低气温的曲线交点即为突变点。因此，可确定变化趋势开始的时间。降水量和气温序列的突变点最重要的原因包括台站搬迁、测量仪器变化、观测时间变化、计算方法变化、气候变化和大气环流变化。MK检验适用于检验年年、季降水量、平均气温、最高气温与最低气温的单调趋势。

大多数伊朗科学家分析了整个伊朗降水量与气温的趋势变化，如Boroujerdy (2008), Ghahraman与Taghvaeian (2008), Katiraie 等(2007), Roshan 等(2011), Sabohi (2009), Shirgholami与Ghahraman (2009)。但是，本文主要对伊朗西南部50个降水站和39个气温站趋势变化分析及突变检验，这将有利于了解该地区气候变化的细节。

3.1 降水量分析

在95%置信水平下，用不同统计方法分析年、季降水量变化趋势，结果是相似的。所有检验均有上升和下降趋势。然而，所有下降趋势均不显著，只有个别上升趋势是显著的。趋势不显著的原因之一是选用了站点的世纪规模的数据。Raiziei观察到伊朗西南部具有显著的上升趋势。Shifteh Somee等人的研究表明伊朗大多数台站的年降水序列均发现不显著趋势。在这些研究中，数据的可用性不超过100年。

图2所示，所有的检验结果均显示具有上升趋势。MK检验和SQ-MK检验显示16%的台站有显著的上升趋势。Pettitt检验显示上升趋势中仅12%具有突变点。年降水量的空间分布显示（如图3），7个站具有上升趋势，主要集中在研究区域的中央部分（5个站）。但是，每个台站的突变点是不同的。

图2 年、季降水量在三种检验下具有显著趋势的台站百分比

图3 MK检验中年、季降水量序列空间分布

阿巴丹站位于波斯湾沿岸地区，降水量具有上升趋势。图4可知，该站的突变为1973年。如图2所示，大多数季节性数据在冬季有趋势变化。年降水量中冬季降水量占很大比例，因此，冬季降水量序列的统计分析的结果与年降水量相似。此外，冬季降水量序列分析表明SQ-MK检验, M-K检验, Pettitt检验的上升趋势分别为14%、16%和10%。在春季和秋季，仅有一个台站可检测到显著的上升趋势，而夏季却没有显著趋势。

图4阿巴丹站SQ-MK检验曲线图

3.2 气温分析

3.2.1 年气温

Pettitt检验，SQ-MK检验和M-K检验分别检测年平均气温、年最高气温和年最低气温趋势。除了表明变化趋势、Pettitt检验和SQ-MK检验也揭示变化趋势的开始（即突变）。这三种统计方法对与年、季节的平均气温、最高气温和最低气温的分析结果几乎是相似的（如图5所示）。根据Pettitt检验，SQ-MK检验和M-K检验，分别有58%，51%和56%台站的年最高气温具有上升趋势。据观察（表2），Pettitt检验中65%突变点开始与上个世纪90年代，而SQ-MK检验却表明90%突变点始于上个世界90年代。另一方面，只有10%台站的年平均气温具有下降趋势。大多数台站的最高气温具有上升趋势，但与年最低气温相比，显著变化的数量减少。根据Pettitt检验，SQ-MK检验和M-K检验，41%，33%，35%台站的年最高气温具有上升趋势。在Pettitt检验，SQ-MK检验中，85%年最高气温序列具有上升趋势且显著突变点发生在90年代。所有检验表明47%台站的最低气温具有暖化趋势。这些台站中，Pettitt检验和SQ-MK检验分别表明47%和67%台站具有显著上升趋势，且突变点为90年代。波斯湾沿岸和扎格罗斯山脉被观测到年平均气温、年最高气温和年最低气温具有一般的气候变暖模式。图6所示，MK检验下的年平均气温、年最高气温和年最低气温的空间分布趋势。大多数的显著上升趋势发现于东半部研究区域。年度气温的上升趋势与Tabari等人的研究结果基本一致，他们在伊朗的西部发现69%，23%和64%台站的年平均气温、年最高气温和年最低气温具有上升趋势。Tabari和Hosseinzadeh Talaee的另一项研究表明伊朗西部85%台站最高气温和最低气温具有上升趋势。具有明显上升趋势的城市化台站占主导地位的台站有阿巴丹、阿瓦、迪兹富勒、伊斯法罕、卡尚和沙赫尔

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