1921年-2012年期间西西里岛时空降雨趋势分析外文翻译资料

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1921年-2012年期间西西里岛时空降雨趋势分析

Lorena Liuzzobull; Enrico Bonobull; Vincenzo Sammartanobull; Gabriele Freni.

✉洛琳娜·柳佐

lorena.liuzzo＠unikore.it

✉加布里埃勒弗雷尼

gabriele.freni＠unikore.it

Facoltagrave; di Ingegneria ed Architettura, Universitagrave; degli Studi di Enna

Kore, Enna, Italy

Independent Researcher, Trapani, Italy

DICEAM, Dipartimento di Ingegneria Civile, dellEnergia, dellAmbiente e dei Materiali, Universitagrave; degli Studi Mediterranea Reggio Calabria, Reggio Calabria, Italy

收稿日期：2015.01.26/接受：2015.07.06/在线发表时间：2015.07.21

copy; Springer Verlag Wien 2015

摘要：在全球变暖的影响下，全球降水格局正在发生变化。这些变化的影响可能会极大地影响水文循环，从而影响水资源的可用性。为了提高预测模型的质量和可靠性，对历史降水数据进行分析，以考虑未来可能发生的变化是非常重要的。基于这些原因，最近进行了大量的研究，目的是研究不同时空尺度下降水的统计显著趋势的存在性。本文调查了1921-2012年西西里岛（意大利）245个雨量计测得的观测数据中降雨存在的统计显著趋势。使用Mann-Kendall非参数统计分析年度、季节和月度时间序列。在局部和区域尺度上检测统计显著趋势的测试，并评估其显著性水平。在应用Mann-Kendall试验之前，使用地质统计学空间插值技术(剩余普通克里金法)完成了历史数据集，然后应用无趋势预白程序进行处理，以消除序列相关性对试验结果的影响。一旦确定了每个地点的趋势，就会使用空间插值技术对检测到的趋势的空间模式进行检查。此外，以1981年至2012年的30年为重点，重复进行趋势分析，目的是发现短期趋势或趋势方向的可能变化。最后，通过分析降水集中指数的趋势，研究了气候变化对年内降雨季节分布的影响。对降雨数据进行的Mann-Kendall试验提供了1921至2012年期间西西里岛降水普遍减少的证据。下降趋势经常发生在秋季和冬季。然而，1981年至2012年期间，发现年降水量总量有所增加。

1引言

温度和降水的时空变化很可能是地球气候系统发生变化的最明显的影响。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC 2013）的最新报告，全球平均地表温度升高，这一增长最显著的后果之一可能是在全球和局部尺度上进行水文循环的变化（Held和Soden 2000；Amell等2001）。事实上，与气候变暖有关的大气湿度的增加，预计将导致平均全球降水增加（Trenberth.1998；Jones等1999）。基于全球平均值，在1900年至1998年期间，陆地上的降水增加了约2%（Dai等1997；Hulme等1998），但区域差异显著。在1900年至2005年期间，降水在30ordm;N的陆地上普遍增加，而20世纪70年代以来，热带地区的降水下降趋势占主导地位（IPCC 2013）。

国际文献内容包括世界不同地区不同时间尺度，从日常到年度，不同地区进行的几项降雨趋势研究。另外，这些研究中使用的方法也不尽相同。Cheung等人(2008年)利用1960-2002年期间埃塞俄比亚13个流域的数据审查了降雨变化情况。通过及时回归流域年降雨量，单样本t测试结果显示，所检查的任何流域的降雨量都没有明显变化。此外，除了参数测试，如t检验，非参数技术在趋势分析中也得到了广泛的推广。罗等人(2014年)通过基于排序的非参数Mann-Kendall统计试验，分析了海河流域(中国)降水的变异性，发现了降水的普遍下降趋势。在印度，Kundu等人(2014年)应用Mann-Kendall测试和Sen的斜率（森氏斜率）调查了从1871年到2011年记录的序列是否存在降雨趋势，结果显示，该序列大部分地区的降雨量有所下降。

关于地中海区域，一些研究强调，虽然地中海流域西部地区特点是雨天天数和降水强度的增加，但是降水存在着一般的负趋势(Esteban-Parra等人，1998年；luis等人2000)。Piervitali皮尔韦塔利等人(1998年)发现，20世纪50年代地中海流域的降水呈负数。在北欧，1990年至2000年期间的年平均降水量增加了2%。南部，降水量减少了20%(Klein Tank等2002)。尽管年平均降雨量有所减少，但地中海大部分地区的强降水事件有所增加(alpert Alpert等人，2002年；Brunetti等人，2004年；Maheras等人，2004年)。这些趋势的一个直接后果是极端事件的发生增加，例如极端风暴造成的洪水和干旱造成的干旱时间较长。最近，Norrant和Douguedroit(2006年)使用地中海63个气象站的月度和每日记录审查了几个降水指数，并在冬季发现了一些负趋势。

Rodrigo和Trigo(2007年)利用Mann-Kendall统计数据和线性回归模型，分析了1951-2002年伊比利亚半岛22个站点的每日降水记录。此外，还采用t检验方法检查了两个子周期的平均值之间的差异。最近，karpouzos等人(2010年)调查了1974-2007期间希腊北部一个地区降水的时间变化特征。在这项研究中，采用了不同的方法来检测年度变化，每月和季节性降水，包括单调趋势测试(Mann-Kendall测试，Mann-Kendall测试的顺序版本，sen的坡度估计量)和阶跃变化测试(无分布CUSUM测试)。结果表明，春季降水明显减少。

在意大利，过去50年降水量的减少主要影响了南部地区(Brunetti等人，2006年；Diodato2007年；Longobardi和Villani 2010年；Ferrari等人2013年)。Polemio and Casarano(2008年)发现，1821-2001年期间，意大利南部的降水量有所下降。年移动平均值在1989～1991和1999～2001期间达到了最低值。这种负趋势对冬季降水尤为明显。

关于西西里岛，cnarozzo等人(2006年)采用了Mann-Kendall测试，以核实1921-2000年期间西西里岛(意大利)247个雨量站的年、季、月降雨量趋势的存在。结果表明，整个区域存在一种普遍的负趋势；然而，在本分析中，没有考虑数据的序列相关对测试结果的影响。

为了调查历史数据中存在的趋势，本研究的重点是1921-2012年期间西西里岛245个雨量计记录的年、季、月总降雨量序列。非参数方法是使用Mann-Kendall测试来识别这些序列的统计显著趋势。趋势分析是在地方和区域范围内进行的，显著性水平alpha;分别为0.1、0.05和0.01。首先对数据集进行处理，以消除序列相关性对测试结果的影响。

一旦发现趋势，就采用空间插值技术对西西里岛趋势的空间分布进行了研究。随后进行了趋势分析，重点是数据集的最后30年(1981-2012)，以确定最近几十年趋势方向的变化。该研究还评估了在所检查期间的降水集中指数(PCI)及其变化。在一些国家，这一指数的使用相当频繁(例如，Apaydin等人，2006年；Luis等人，2011年)，在意大利，特别是南部地区(cannarozzo等人，2006年)。PCI值分析被证明有助于研究降雨时间分布在这一年中的变化。

2数据集

西西里岛，研究区域，是一个约25700平方公里的岛屿，位于意大利南部，其特点是地中海气候，一般情况下，冬季温和，夏季干燥炎热；气候主要受北非海岸（西洛科）吹热风的影响。这个地区的年总降水量从海拔较低的400毫米/年到海拔较高的1300毫米/年之间变化。年平均温度在10.8～18.9℃之间变化，最高温度值（18.5～19.5℃）位于海岸线，而最低温度值（10.5-13.5℃）是最高海拔高度的特征。

由西西里岛屿245个雨量计测量的从1921年至2012年期间的历史降雨序列（图1），是由西西里的Osservatorio delle Acque-Agenzia Regionale per i Rifiuti e le Acque(OA-ARRA)提供的。

对每月降雨量序列的初步审查显示，每月约有20%的数据序列缺失。由于降雨趋势的调查需要覆盖整个分析周期的均匀和完整的序列，因此采用了以下描述的空间插值方法来创建完整的数据集。一旦得到了每月降雨量的完整数据集，就按年度和季节性汇总数据。季节的定义如下：秋季包括9月、10月和11月；冬季包括12月、1月和2月；春季包括3月、4月和5月；夏季包括6月、7月和8月。

3方法

3.1降水数据的空间插值

在水文气象变量的趋势分析中使用不连续时间序列可能导致不可靠的结果和误差。因此，在进行任何统计测试之前，重建缺失的数据对于验证是否存在趋势至关重要。

在这项研究中，利用基于年龄统计空间插值技术的剩余普通克里金程序，每月对缺失数据进行评估(odeh等人，1995年)。goovaerts(2000年)、lopez-granados等人(2002年)和takata等人(2007年)报道了这种方法的良好性能。剩余的普通克里金允许两种不同类型的空间变异性的分离，即确定性(趋势)和随机性。随机变异性可进一步归类为空间相关和空间无关的成分。空间相关分量通常通过变量图进行评估，必须确定变量图，而空间无关的分量与测量不精确有关，测量不精确在测量中相对较小并且难以区分。因此，如果x是研究区域中的一个位置，则可以使用以下表达式来评估x、P(x)的降雨量：

P（X）=m(x) ε(x) (1)

其中m(x)是确定性分量，ε(x）是空间相关的随机分量。在这项研究中，剩余的普通克里金应用于每月的基础上，按照以下步骤：

·使用地理加权回归法评价确定性成分m(x)；
·随机成分的测定，ε(x)(残差)；
·普通克里金在残差上的应用；
·降雨数据的估计为确定性分量和随机分量的总和。

图1 1921-2012期间雨量计和平均年降水量的位置

该程序的结果是一个完整的数据集，其中包含了1921-2012年期间每个站的所有月降水量数据。具体而言，对于每台雨量计，无论是否工作，年降水量和月降水量都是通过地理加权回归进行估算的。对于工作雨量计，将估算值与实测数据进行了比较，以确定残差。随后，再次检查数据集，并将缺失的数据估计为回归和残差确定的降水值之和。雨量计不工作的地方的残差是未知的；因此，它们是通过计算残差的普通克里金进行插值获得的。对每月地理加权回归的参数进行了估计。同样，每个月的球面半变量图也被用来描述测量值随位置的变化。

用剩余普通克里金估计月降雨量时得到的均方根误差和标准差，结果低于逆距离加权法、普通克里金法、多元线性回归法等其他方法产生的误差回归。在先前的一项研究(bono等人2005)，该方法在西西里岛得到应用和验证，提供了1921-2000年期间每月降雨量的完整数据集。

3.2降水集中指数

降雨的时空变异性是了解不同尺度水资源管理与规划的平衡动态的重要组成部分。在流域，供水的同质性随着降雨空间变异性的减少而增加，而在降雨时间变化较小的情况下，供水则更为常年(kawachi等人，2001年)。多年来，利用为信息论或经济科学制定的系数和指标，对降雨的时空变异性进行了分析。其中，Shannon熵(Shannon 1948)和Gini系数(Gini 1921)在水文应用中也最常用。

Gibbs-Martin就业多样化指数(吉布斯和马丁1962年)的修改为oliver(1980年)提供了一个具体的指数，旨在进行沉淀分析，即降水集中指数(PCI)。引入该指数是为了分析一年来降雨量的月份异质性，是降水时间分布的有力指标。PCI是评估某一地点多雨变律的最常用工具之一，文献中的引用数量就表明了这一点(例如，Luis等人，2000年；Cannarozzo等人，2006年)。

在本研究中，PCI是根据以下公式按每个雨量计的年度尺度计算的：

（2）

其中pi是第i月内的每月降水量。正如Oliver(1980年)所描述的，低于10的PCI值表明全年月降雨量分布的一致性，而范围从11到20的值表示季节性。20以上PCI的值代表了降水分布的强烈不规则性(即高降水集中)。

3.3探测水文气象变量的趋势

可使用若干统计程序来检测趋势，特别是参数测试和非参数测试。在本研究中，使用了非参数Mann-Kendal测试的趋势检测(Kendall1962年；Mann1945年)。此测试确定趋势的存在，而不对分布的属性进行假设。此外，异常值的存在对非参数方法的影响较小。在趋势测试中，假设Ho是在提取数据的人群中没有趋势，而假设H1是记录中存在趋势。测试统计，Kendall的S(Kendall 1962)，计算如下：

（3）

其中y是数据值，当i和j，n是数据集的长度，符号( )是符号函数(关于完整的测试描述，请参见Helsel和Hirsch 1992)。

每个趋势测试的局

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