Mann-Kendall趨勢檢驗法

世界氣象組織推薦並已廣泛套用的Mann-Kendall非參數統計方法,能有效區分某一自然過程是處於自然波動還是存在確定的變化趨勢。對於非常態分配的水文氣象數據,Mann-Kendall秩次相關檢驗具有更加突出的適用性。Mann-Kendall也經常用於氣候變化影響下的降水、乾旱頻次趨勢檢測。

Mann-Kendall非參數秩次檢驗在數據趨勢檢測中極為有用,其特點表現為:(1)無需對數據系列進行特定的分布檢驗,對於極端值也可參與趨勢檢驗;(2)允許系列有缺失值;(3)主要分析相對數量級而不是數字本身,這使得微量值或低於檢測範圍的值也可以參與分析;(4)在時間序列分析中,無需指定是否是線性趨勢。兩變數間的互相關係數就是Mann-Kendall互相關係數,也稱Mann-Kendall統計數 S。

肯德爾(Kendall)秩次檢驗方法也叫 τ檢驗,可以定量地計算出時間序列的變化趨勢,是水文氣象序列研究中經常採用的方法。Kendall、Van對這一方法做了詳盡的介紹:對長度為 N的時間序列{ Xi︳ i=1,2,…, N},統計假設 H0:未經調整修正的數據系列{ Xi}是一個由 N個元素組成的獨立的具有相同分布的隨機變數。備擇假設 Hl:對所有的 i,當 j≦ N時和 i≠ j時 Xi和 Xj的分布不相同。計算時,對每一個 Xi( i =1,2,…, N-1),與其後的{ Xj︳ j = i +1 ,i +2 ,…, N}進行比較,記錄 Xj> Xi,出現的次數 ni。所有正偏差的總次數 p可表示為:

(3-1)

Mann-Kendall統計數 S,按下式計算:

(3-2)

對於統計假設 H0, 當N→∞時, S的分布為常態分配, S的均值與方差為:

(3-3)

(3-4)

當 N>10時,即可套用近似常態分配進行檢驗分析。標準化的統計檢驗數 M, 可按下式計算:

(3-5)

Hisdal等認為,當| M︳> M[1-(σ/2)]時,不能拒絕上升或下降趨勢的假設( H1),這裡 M[1-(σ/2)]是1-(σ/2)標準常態分配的分位數。正 M值表示上升趨勢,負 M值表示下降趨勢。根據 t檢驗臨界值,當| M︳>1.96時表示在σ在0.05水平上上升或下降趨勢顯著,當| M︳>2.576時,上升或下降趨勢為極顯著(σ=0. 01)。

求得Mann-Kendall檢驗數 M後,可利用最小二乘回歸計算水文氣象要素的年變化率或10年變化率。

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