三江平原红卫农场降水量随机特征分析.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,李娜,蔺宏岩三江平原红卫农场降水量随机特征分析J水利科学与寒区工程,():三江平原红卫农场降水量随机特征分析李娜,蔺宏岩(绥化学院 农业与水利工程学院,黑龙江 绥化 )摘要:本文以三江平原红卫农场为研究区域,采用了滑动平均法、M o r l e t小波分析法对红卫农场内红卫站年降水量(年)资料进行随机特征分析.分析结果表明:红卫站年降水量序列呈现逐年增加趋势,通过周期性分析可知:在 a左右时间尺度周期震荡最强,对应第一峰值为降水量变化的第一主周期.分析结果可为研究红卫农场区域的降水量预测提供依据.关键词:红卫农场;降水量;特征分析中图分类号:F 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:基金项目:黑龙江省属高等学校基本科研业务项目(YWF )作者简介:李娜(),女,黑龙江绥化人,助教,研究方向为水文学及水资源.E m a i l:q q c o m.研究区概况红卫 农 场 地 理 位 置 为 东 经 ,北 纬 ,位于三江平原的东北部,富锦、同江两市的交界地带,该农场系隶属建三江农场管理局的大型国有农场.农场地形特征为:南、北地势低,中间地势平坦,农场内部多沼泽.具有寒带大陆季风气候,适宜农作物生长,具有生产优质水稻独 特 优 势.农 场 占 地 共 h m,其 中 h m用于农作物种植,气候适宜加之有利地形,农场内粮食单产高,曾被农业农村部授予“水稻标准化生产示范场”的头衔并荣获“全国粮食生产先进场”的称号.红卫农场作为全国主要的粮食生产基地,对其进行农业生产影响因素的研究具有重要意义,影响农业生产的最直接因素之一为降水量,如果能够对降水量进行特征分析,为准确预测每年的降水量与径流量提供基础依据,将对红卫农场在农业生产的发展中发挥非常积极的作用.研究方法 滑动平均法滑动平均法主要对动态数据进行处理,又叫移动平均法,该方法以平均数为基础,按顺序逐期增加或减少新、旧数据,以此计算出移动平均值,这种方法不仅消除了偶然变动因素,还可以找出事物 未 来 变 化 趋 势,故 可 对 动 态 数 据 进 行预测.滑动平均法可以将数据进行平滑化处理和滤波处理,通过这种方式,不仅可以减少时间序列的随机波动,又将时间序列的趋势性和阶段性更加直观表现出来,主要通过平均值来体现.对序列x,x,xn的几个前期值和后期值通过取平均值方式求出新的序列yt,这种方法消除了异常值的影响,使原始序列更流畅.计算方法如式():ytmmimxti()式中:yt为序列,t,n;xti为新序列t时段的气候变量值;m为常数,m的取值十分关键,直接决定时间序列在应用滑动平均方法后,前期值和后期值的个数.本文应用a滑动平均,故取m.滑动平均法算法简便,计算量较小,可以快速处理非平稳数据,但是也具有一些缺点,例如存在主观、任意性,因为其效果主要取决于参数的选择,只能根据经验来尽可能合理的选择该算法的参数值.M o r l e t小波分析方法小波分析是经过对不同频率的震荡函数进行处理,使数据平稳化的一种方法,具体是以一组不同频率的震荡函数作为窗口函数(t)对信号f(t)进行扫描和平移.时间序列f(kt)的小波变换计算如式()所示:Wf(c,d)ctNkf(kt)(ktdc)()式中:c为尺度因子;d为平移因子;Wf(c,d)为小波函数;t为取样的时间间隔.M o r l e t小波系数是由高斯函数经简化后得到的,计算公式见式();傅里叶周期T计算公式如式()所示:Wf(c,d)c/Nkf(k)ei d tet()T cee()式中:e为伸缩尺度;T为周期.当e 时,尺度因子c可以替代周期T.小波方差计算如式()所示:V a r(c)Wf(c,d)d()式中:V a r(c)为小波方差.根据计算公式可知:小波方差实际上是积分值,是对所有小波变换系数的平方进行积分,小波方差可以反映出尺度c的变化影响了波动的能量,也可以用来判断各种尺度扰动对时间序列的影响强度,其扰动最强对应峰值就是研究的时间序列的主要变化周期.小波分析方法对降水量周期性分析对具体步骤如下:()数据格式的转化.()边界效应的消除或减小.()计算小波系数.()计算复小波系数的实部.()绘制小 波系数实 部 实 频 分 布 图.()绘制小波方差图.降水量随机特征分析 降水量变化特征降水的年际变化决定着流域的水资源总量和水资源利用的年内调节.本文主要就分析红卫农场气象站的降水年际变化规律展开讨论,进而分析该农场降水的时间分布规律,目的是为水资源进行可持续发展和农田水资源的合理有效使用提供一定依据.应用滑动平均法对红卫农场 年降水量进行趋势性分析,结果如图所示.图红卫站 年降水量的变化特征由图可知:在年际变化规律中,红卫站近 a来年际气候倾向率为 mm/a.说明红卫站 年 a降水量总体呈上升的趋势.由于结果可能受序列周期性影响,为了消除这种影响,确保结果更准确现对降水量序列进行a滑动平均处理.结果表明:红卫站近 a来降水量趋势变化不明显,整体呈现波动状态.降水量周期特征分析对 年三江平原红卫农场气象站年降水量数据进行小波分析,探究其降水量周期性特征.首先通过MAT L A B软件中的小波分析模块处理降水量时间序列数据,将处理后的数据计算出实部 系 数,求 出 小 波 方 差,最 后 将 数 据 输 入s u f e r软件,得到小波变换系数实部时频分布图,如图所示.从图可以看出,近 a来三江平原红卫农场区域内红卫站年降水量包含了尺度不同的周期性变化.为了更加直观看出各气象站的周期性,图给出了红卫气象站的M o r l e t小波方差分布.分析图可知:红卫站主要受三个频率尺度影响,分别为a、a和 a.其中,a尺度属于低频振荡期,此周期内年降水量出现条突变线,把 年分为个时段,分别 为 年、年 和 年,其 中 年 时 段 对 应 丰 水 期,年时段对应枯水期,年时段对应丰水期;a频率尺度属于高频振荡期,此周期内降水量出现了条突变线,条突变水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图红卫站 年实部时频分布图图红卫站M o r l e t方差分布线把 年分成了个时段,即 年、年、年、年和 年,分别对应丰水期、枯水期、丰水期、枯水期、丰水期.在 年间,a时间尺度虽然能量较弱,但周期分布较明显.分析红卫农场气象站M o r l e t小波方差分布(图)可知:红卫站年降水量序列方差在周期为a、a和 a处发生转折,所以年降水量具有a、a、a左右的主周期,从图中还可以看出,红卫站降水量序列在 a左右时间尺度频率最高,说明 a时间尺度周期震荡最强,对应第一峰值,为降水量变化的第一主周期,a左右时间尺度周期震荡效果次之,对应第二峰值,是降水量变化第二主周期,a左右时间尺度周期震荡效果最弱,对应第三峰值,是降水量变化的第三主周期.结论本文以红卫农场年降水量(年)为研究对象,采用了M o r l e t小波 分 析 法,在 应 用E x c e l,M a t l a b、s u f e r对数据进行分析和编程的基础上,对红卫农场年降水量进行年际变化特征分析和周期特征分析,得出以下结论:()红卫站近 a来降水量趋势变化不明显,整体呈现波动状态.()红卫站受a、a工和 a左右尺度影响,低频振荡期 a周期内出现条突 变 线,把 年 分 为个 时 段,年、年和 年,分别对应丰水期、枯水期和丰水期;高频振荡期 a周 期内降水量出现了条突变线,条突变线把 年分成了个时段,即 年、年 年、年和 年,分别对应丰水期、枯水期、丰水期、枯水期、丰水期.在 年间,a时间尺度虽然能量较弱,但周期分布较明显.()红卫站年降水量序列具有a、a、a左右的主周期,红卫站降水量序列在 a左右时间尺度周期震荡最强,对应第一峰值,为降水量变化的第一主周期,a左右时间尺度周期震荡效果次之,对应第二峰值,是降水量变化第二主周期,a左右时间尺度周期震荡效果最弱,对应第三峰值,是降水量变化的第三主周期.参考文献:李娜,孙颖娜,齐凡,等前进农场年月降水量随机特征分析J水利科学与寒区工程,():李娜三江平原红卫农场降水量预测及径流模拟D哈尔滨:黑龙江大学,邢贞相,闫丹丹,刘美鑫,等三江平原近 年降水量时空变异特征分析J农业机械学报,():第期李娜,等三江平原红卫农场降水量随机特征分析