[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用小波分析，分析了1940年至1999年卡伊西河河川水文制度的时间尺度变异，以检测降雨量和径流量的多尺度波动。研究识别出强烈的年度周期以及间歇性的2–8年和8–16年振荡，且水文变量与主要气候指数之间的相干性较弱（相干性 < 0.55）。

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).

研究动机与目标

• 表征20世纪卡伊西河流域水文制度的非平稳变异特征。
• 利用先进信号处理技术识别降雨量和河流径流量中的主导时间尺度模式。
• 通过相干性分析评估大尺度气候指数对卡伊西河水文的影响。
• 检测研究期间水文时间序列中的结构性转变与趋势。
• 深化对水文动力学的理解，以促进中非地区水资源管理。

提出的方法

• 应用连续小波变换（CWT）分析1940年至1999年降雨量和径流量数据的时间变异特征。
• 利用小波功率谱识别不同时间尺度（如年度、2–8年、8–16年）下的显著振荡。
• 开展小波相干性分析，以研究水文变量与气候指数（海表温度、大气环流）之间的关系。
• 使用红噪声背景的蒙特卡洛检验评估小波特征的统计显著性。
• 通过时间序列分解分析1950年、1960年、1970年、1983年和1994年前后水文模式的突变点。
• 将结果与观测到的趋势及区域已知的气候事件进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 1940年至1999年卡伊西河流域的降雨量与径流量中，主导的时间尺度振荡是什么？
• RQ2 水文模式的结构性转变与1950年、1960年、1970年、1983年和1994年前后发生的气候转变之间有何关联？
• RQ3 卡伊西河径流量与降雨量在多大程度上与大尺度气候指数（如海表温度和大气环流）相关？
• RQ4 水文制度中是否存在持续多年的振荡，其随时间如何变化？
• RQ5 在不同时间尺度上，水文变量与气候指数之间的相干性有多强？

主要发现

• 卡伊西河流域的降雨量与径流量表现出强烈的年度振荡，表明水文动态受季节性控制。
• 在1950–1975年和1983–1995年期间，降雨量与径流量中检测到间歇性的2–8年振荡，表明存在十年代尺度的变异性。
• 1970年至1999年期间，降雨量与径流量中观察到持续的8–16年振荡，表明存在长期气候调制。
• 小波相干性分析显示，水文变量与气候指数之间的联系较弱，相干性值始终低于0.55。
• 研究识别出降雨量与径流量均存在明显的下降趋势，且在1950年、1960年、1970年、1983年和1994年出现显著转变。
• 时间可变的谱特征，特别是在2–8年和8–16年频带，证实了水文制度的非平稳性。