[論文レビュー] Time-scale characteristics of Kasai river hydrological regime variability for 1940-1999

Jean-Marie Tshitenge Mbuebue, Albert Mbata Muliwavyo+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2016

Hydrological Forecasting Using AI被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、1940年から1999年までの期間にわたり、カサイ川の水文的安定性の時間スケール変動をウェーブレット解析を用いて分析し、降水量および流出量におけるマルチスケールのフラクチュエーションを特定する。年間周期が強く、2〜8年および8〜16年周期の間欠的で周期的な変動が検出された。水文的変数と主な気候インデックスとの間には弱い整合性（coherence < 0.55）が認められた。

ABSTRACT

The present study was undertaken with the aim of contributing to the characterization of the nonstationary variability of the hydrological regime of the Kasai River using the wavelet analysis for 1940-1999. The rainfalls and discharge over Kasai Basin have marked fluctuations with a perceptible downward trend and some shift around 1950, 1960, 1970, 1983 and 1994. The results show that rainfalls over Kasai basin and the discharge at Ilebo station patterns exhibit a strong annual oscillation and some intermittent oscillations in 2-8 years (1950-1975, 1983-1995) and 8-16 years (1970-1999) time scales. The wavelet coherence analysis reveals a weak possible connection between hydrological variables (rainfalls, discharge) and climate indices relative to sea surface temperature and atmospheric circulation over Atlantic tropical, Indian and Pacific Oceans (coherence less than 0.55).

研究の動機と目的

• 20世紀を通じてカサイ川流域の水文的安定性の非定常的変動を特徴づけること。
• 高度な信号処理を用いて降水量および河川流出量における支配的時間スケールパターンを特定すること。
• コherenct分析を用いて大規模気候インデックスがカサイ川水文に与える影響を評価すること。
• 研究期間中の水文的時系列における構造的シフトおよびトレンドを同定すること。
• 中央アフリカにおける水資源管理のための水文的ダイナミクスの理解を深めること。

提案手法

• 1940年から1999年までの降水量および流出量データの時間的変動を分析するために、連続ウェーブレット変換（CWT）を適用した。
• 波形パワースペクトルを用いて、異なる時間スケール（例：年間、2〜8年、8〜16年）における顕著な周期的変動を同定した。
• 水文的変数と気候インデックス（海面水温、大気循環）との関係を調査するために、ウェーブレットコherenct分析を実施した。
• 赤色ノイズ背景を用いたモンテカルロテストを用いて、ウェーブレット特徴量の統計的有意性を評価した。
• 時系列分解を用いて、1950年、1960年、1970年、1983年、1994年ごろの水文的パターンのシフト点を分析した。
• 結果を観測されたトレンドおよび地域の既知の気候的出来事と照合して妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1940年から1999年までのカサイ川流域における降水量および流出量の支配的時間スケールの周期的変動は何か？
• RQ2 1950年、1960年、1970年、1983年、1994年ごろの気候的移行と、水文的パターンの構造的シフトはどの程度相関しているか？
• RQ3 カサイ川の流出量および降水量は、海面水温や大気循環といった大規模気候インデックスとどの程度関連しているか？
• RQ4 水文的安定性に持続的な数年周期の変動が存在するか。また、それらは時間とともにどのように変化するか？
• RQ5 異なる時間スケールにおいて、水文的変数と気候インデックスとの間のコherenctはどの程度強いのか？

主な発見

• カサイ川流域における降水量および流出量には、強い年間周期が認められ、水文的ダイナミクスが季節的要因によって支配されていることを示している。
• 1950年から1975年および1983年から1995年の間、降水量および流出量に2〜8年周期の間欠的変動が検出された。これは十年代の変動を示している。
• 1970年から1999年の間、降水量および流出量に8〜16年周期の持続的変動が観察された。これは長期的な気候的調整を示している。
• ウェーブレットコherenct分析により、水文的変数と気候インデックスとの間には弱い関係が認められ、コherenct値は常に0.55未満であった。
• 降水量および流出量に顕著な低下トレンドが認められ、1950年、1960年、1970年、1983年、1994年ごろに顕著なシフトが観察された。
• 特に2〜8年および8〜16年帯において、時間に依存するスペクトル特徴が確認されたことから、水文的安定性の非定常性が裏付けられた。