基于IDRISI降雨量的時(shí)間序列分析與預(yù)測(cè)

申曉哲，關(guān) 霄，牛毓君

(1.山西省造林局，山西 太原 030012； 2.山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院，山西 太原 030006)

降雨是反映一個(gè)地區(qū)氣候狀況的重要指標(biāo)，它與社會(huì)的發(fā)展息息相關(guān)，而且影響人類生存。降雨量是衡量干旱程度的一個(gè)重要指標(biāo)，降雨量的大小直接影響林業(yè)生產(chǎn)。筆者以全球降雨量為研究對(duì)象，進(jìn)行了空間尺度和時(shí)間尺度上的分析，并運(yùn)用模型對(duì)降雨量做出科學(xué)預(yù)測(cè)。由此，可以根據(jù)降雨量變化來選擇適宜生長(zhǎng)的樹種，提高樹種的成活率和保存率。

1 研究方法

1.1 降雨量分析

以全球1982年至2000年5月、6月、9月的ETM降雨量數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，運(yùn)用圖像比對(duì)、圖像相減和回歸分析的方法繪制降雨量差值趨勢(shì)圖，分別對(duì)空間尺度(不同年份、不同月份)和時(shí)間尺度(不同年份同一月份)的降雨差異性進(jìn)行分析。由于本文所使用的ETM數(shù)據(jù)存在誤差以及數(shù)據(jù)缺失，通過缺失數(shù)據(jù)插值、數(shù)據(jù)降噪、消除季節(jié)性影響等方法對(duì)所使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

1.2 降雨量預(yù)測(cè)

運(yùn)用IDRISI中的全球趨勢(shì)模型(Earth Trend Modeler)對(duì)未來降雨量進(jìn)行預(yù)測(cè)，分別進(jìn)行小波分析、序列趨勢(shì)分析、STA分析、EOT，PCA，線性建模分析等，對(duì)在時(shí)間序列上降雨量的特征和趨勢(shì)做出判斷和分析。

2 全球降雨量的差值分析

2.1 空間尺度上的降雨量分析

1982年至2000年5月和6月的降雨量差值趨勢(shì)圖見圖1.

圖1 5月和6月間降雨量差值趨勢(shì)圖

由圖1可以看出，不同年份5月與6月的降雨量差值雖不盡相同，但其總體趨勢(shì)是一致的。1982年至2000年，5月和6月的降雨量差值基本保持不變，且稍有增加。表明在這20年中未發(fā)生非人為或人為的降雨量變化，但差值的增長(zhǎng)與不同年份的降雨量以及全年氣候變化有關(guān)。此外，相鄰年份5月和6月降雨量差值的變化基本保持在0.05左右，這對(duì)未來在無特殊人為或自然破壞的情況下進(jìn)行降雨量預(yù)測(cè)具有實(shí)際作用。

1982年至2000年6月和9月間的降雨量差值趨勢(shì)圖見圖2.

圖2 6月和9月間降雨量差值趨勢(shì)圖

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，與5月和6月降雨量差值趨勢(shì)圖不同，6月和9月間降雨量差值趨勢(shì)圖不是很平緩。1982年至2000年，6月和9月間降雨量差值增加較為明顯，但增長(zhǎng)幅度有所不同，1982年至1996年間增長(zhǎng)幅度基本相同，而1996年至2000年間增長(zhǎng)迅速，這可能與此期間的氣候變化有關(guān)。但由于在5月和6月降雨量差值趨勢(shì)圖中未發(fā)現(xiàn)異常，這種異常的出現(xiàn)可能是因?yàn)?月份降雨迅速增加引起的。從圖2中可以看出，6月和9月間的降雨差值持續(xù)增長(zhǎng)，但該增長(zhǎng)趨勢(shì)不滿足任何規(guī)律，可以作為未來降雨量簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)的依據(jù)，不可作為預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。特別是由于全球氣候變化或是特殊自然條件的影響，該趨勢(shì)不能作為預(yù)測(cè)模型。

2.2 時(shí)間尺度上的降雨量分析

以6月份全球降雨量為例，計(jì)算前后2年的降雨量差值，得出1982年至2000年6月降雨量差值趨勢(shì)圖，見圖3.

圖3 1982年至2000年6月降雨量差值趨勢(shì)圖

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，1982年至2000年6月的降雨量差值趨勢(shì)圖曲線類似于正弦波，出現(xiàn)很強(qiáng)的周期性。6月份降雨量差值基本保持不變，且年際差異大致等于-0.02.這說明在20年中6月份降雨量持續(xù)走低，降雨普遍減少，可以依據(jù)該數(shù)據(jù)對(duì)未來在無特殊人為或自然破壞情況下的降雨量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在做圖像相減差異時(shí)，1991年至1992年圖像相減差值出現(xiàn)無取值的情況，1998年至1999年年際差異接近-0.10，超出差值允許范圍，予以剔除。

3 全球趨勢(shì)模型預(yù)測(cè)降雨量

筆者運(yùn)用IDRISI中的全球趨勢(shì)模型(Earth Trend Modeler)對(duì)未來降雨量進(jìn)行預(yù)測(cè)，分別進(jìn)行小波分析、序列趨勢(shì)分析、STA分析、EOT，PCA，線性建模分析等。由于在上述分析的6月份降雨量與正弦函數(shù)附和性較好，故而以此模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到全球6月份降雨量的預(yù)測(cè)公式為：

式中：T——年份。

根據(jù)公式預(yù)測(cè)2000年至2007年全球6月份的降雨量，并與實(shí)際降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4.

圖4 2000年至2007年全球6月降雨量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

由圖4可以看出，降雨量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)差異不大且變化趨勢(shì)相似，因此，全球趨勢(shì)模型的建立相對(duì)可靠、科學(xué)。

4 結(jié)論與討論

1) 筆者通過時(shí)間尺度和空間尺度對(duì)全球1982年至2000年5月、6月、9月的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，1982年至2000年，全球這3個(gè)月降雨量普遍增加，但增量不大；5月和6月的降雨量差值在長(zhǎng)時(shí)間序列上基本保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了這20年雨季未發(fā)生非自然條件的降雨變化；通過分析6月和9月間的降雨量差值，發(fā)現(xiàn)9月份的降雨量在時(shí)間序列上明顯增加，這可能成為驗(yàn)證冬季降雨增多的證據(jù)。