孟加拉国达卡年度最大降雨量的变化外文翻译资料

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孟加拉国达卡年度最大降雨量的变化

Faisal Ahammed^a,*Guna Alankarage Hewa^a ,John R.Argue^b

^A 南澳大利亚大学自然与建筑学院，莫森湖，阿德莱德，SA 5059，澳大利亚

^b南澳大利亚大学水资源管理与再利用中心，莫森湖，阿德莱德，SA5095，澳大利亚

文章信息

文章历史：2013年8月23日收到

2013年10月11日收到修订过的形式并接收

关键词

降水变化 重现期 年度最大降雨量 耿贝尔分布 正态分布

摘要

本文讨论了1953年至2009年期间孟加拉国首都达卡的降雨特征研究。研究数据来自孟加拉国气象部门2011年1月的数据，发现了2.84%的数据缺失。我们对于对年降雨量、年日、月最大降雨量进行了描述性统计分析，我们应用了Gumbel分布函数来估计极端降水事件的重现期，并发现年日最大降雨量等于或大于425 mmhad的重现期为100年。由于全球气候变化，人们采用正态分布函数来预测降雨量的变化，并发现在2010年至2066年期间的任何12年里，每年的最大降雨量等于或大于200毫米。本文的研究成果可用于更好地了解孟加拉国达卡的降雨模式。

1. 介绍

降雨模式是水文科学和实践中最重要的投入和关键问题之一(Sangati和Borga, 2009)。这些信息广泛应用于洪水预报、水文模型和设计排水结构(Lagouvardos 等， 2013)。孟加拉国的降雨模式在时间和空间上变化很大(Shahid等， 2012)，因此，我们需要研究首都达卡的降雨特征。

孟加拉国的三角洲由三条主要河流，恒河，雅鲁藏布江和梅克纳河及其支流与分流形成的。从地理上看,它位于北纬20°34′至26°38′,东经88°01′ 至92°44′ 之间。由于其地理特征，包括喜马拉雅山脉和孟加拉湾(Murata et al.， 2008)的存在，该国经历的强降水，一般在在1433 - 4338毫米(孟加拉国统计局，2008年)之间。降雨主要发生在夏季和季风季节(Yamane 等,2010;Sikder 等， 2013)，占全年总降雨量的72% (Ahasan 等， 2010)。到2030年，气候变化将会增加约5%的降雨量(Su 等， 2006)，平均值和标准差的微小变化将在大大上影响降雨强度。

迄今为止，对达卡和孟加拉国的降雨量特征进行的研究尚未大规模开展。Islam(2009)应用PRECIS模型，把1961年至1990年的数据作为基准期，来预测2010年至2020年孟加拉国降雨量。他将估算的结果与2000年到2006年的观测降雨量进行交叉检验，计算结果比估算值高4.47%的。Ahasan等人(2011)发表了对于2004年9月14日在达卡使用第五代PSU/NCAR中尺度模型(MM5)对强降雨事件进行模拟的研究；分析表明，该强降雨事件是季风与西南季风气候系统相互作用的结果。MM5模型还表明，洼地几乎是静止的，孟加拉湾提供了强降雨所需要的水汽。Fujinami 等(2011)研究了20年(1981-2000年)25个台站的日降水量数据的季节内振荡(ISO)，结果表明，ISO是孟加拉国夏季降水量波动的主要模式。Ahasan等人(2010)将孟加拉国的降水变率与尼泊尔、不丹和印度的相对比。他们发现，孟加拉国的降雨量与印度一些地区呈正相关，如纳加-马尼珀-米佐-特里普拉亚、亚喜拉雅山西孟加拉邦、锡金和不丹;与此同时，在奥里萨邦与孟加拉国呈负相关。Ahammed和Hewa(2012)研究了达卡的极端降雨事件，并研究了水力结构设计过程中所需要的降雨强度-频率-持续时间(IFD)关系。Shahid(2011)对于50年的降雨资料(1958年至2007年)应用Mann-Kendall统计和Sen的斜率模型，并观察到孟加拉国西北部极端降水指数的显著变化。Shahid(2010)还发现，过去几年平均降雨量和季前降雨量有合理增长;在孟加拉国大部分地区，湿月数增加，干月数减少。Karmakar和Alam(2011)开发了简单的多元线性回归方程，对孟加拉国24小时最大降雨量的统计预测和相关系数的相关系数具有统计学意义。Rahman et al.(2011)采用欧洲中期天气预报中心(ECMRWF)建模系统和热带降雨测量系统(TRMS)，在三个站(Dinajpur、Rangpur和Sylhet)交叉检查孟加拉国气象部门(BMD)的降雨量数据。连续变量验证方法表明了TRMM数据的准确性更高。TRMM降水概率接近于BMD观测数据。

Papalexiou和Koutsoyiannis(2013)认识到了Gumbel、Frechet和Weibull分布在极端降水数据的分析上的矛盾;他们分析了全球的降雨量数据，并确定了Gumbel分布函数比Frechet分布函数描述的更好。Allamano 等(2011)和Evin等(2011)也表明Gumbel分布函数是描述年度最大水文极值的一个可接受的选项。

本文对达卡的57年(1953 - 2009)雨量数据进行了统计分析。我们对年降水、年度最大日降水和年度最大月降水进行了描述性统计分析。此外，我们还采用了gumbel分布和正态分布函数来估计极端降水事件的预期重现期，并预测受到全球气候变化的影响下的年降雨量的变化。

1. 资料和方法

2.1 研究区域

选定的研究区(图1)达卡，是孟加拉国的首都。它位于孟加拉国的中部，布里甘加河岸边。它容纳了全国大约40%的城市人口(Jahan和Moniruzzaman, 2007)。根据孟加拉国统计局(2008)的数据，达卡的总面积为1640平方公里，总人口约1030万，年增长率为4.2%。城市的年平均气温是25°C。10年平均重现期和1小时的降雨强度为98 mm/h (Ahammed andHewa, 2012)。

2.2 降水资料

孟加拉气象部门于2011年1月收集了57年(1953年至2009年)达卡的日雨量数据。缺失数据量为2.84%。我们没有发现1974年的任何资料。由于1971年的独立战争，气象站没有正常工作，我们只找到了3月、4月和12月的数据。在1966年1月至3月，以及1973年7月期间，还发现了其他重要的失踪数据。10个附近数据的平均值被每一个缺失的数据所取代。

我们进行了大量的检查，以确保数据的质量控制。我们仔细观察每一个数据;任何可疑的数据都与附近站的降雨量数据进行了交叉核对。在某些情况下，可疑数据与其他年份的记录相关联，这些记录接近于缺失年份。

（图1所示。孟加拉国达卡的地图(来源:Ahammed et al.， 2012)。

2.3 描述性统计

我们对三种类型的数据进行了描述性统计分析:i)年降雨量，ii)年日最高降雨量和iii)年月最大降雨量。描述性统计涉及大型数据的组织和总结，包括表格、图表和数字以呈现原始数据(Ott和Longnecker, 2010)。我们将描述性统计数据应用于降雨数据，以检验其中心趋势(平均值、中位数和模式)、变异性(标准差)、对称性(偏斜度)和峰度(峰度)。本研究中使用的各种统计时刻如下:

一阶矩(平均):

二次矩(方差):

第三个时刻(偏态):

第四时刻(峰态)

2.4 Gumble分布函数

著名的统计学家Emil Julius Gumbel(1941)可能是第一个以有组织的方式处理水文数据极端值，用于进行洪水频率分析的人。传统的三种极端值分布:Frechet、Weibull和Gumbel通常用于分析年度最大降雨量的重现期。Nadarajah和Choi(2007)和Carvalho等人(2013)表达了广义极值(GEV)分布的累积分布函数为:

1 xi;（x-mu;）/sigma;gt;0，其中xi;、mu;、sigma;分别表示形状、位置和尺度参数。当xi;→0时，等式（1）成为Gumble分布；等式（2）为GEV分布；年度最大日降水量和重现期的估计则分别应用等式（3）和等式（4）。

其中

x 年度日最大降雨量

mu; 年度日最大降雨观测平均值

sigma; 年度日最大降雨观测值标准差

F（x）累积概率分布

P（x）概率分布

N 年度日最大降雨量的重现期的估计值

2.5 正态分布和降雨变化

正态分布，有时称为高斯分布，是连续概率分布的重要组成部分，应用于许多领域进行统计分析(Yerukala 等， 2011)。我们假设所观测到的年日最大降雨量数据为正态分布(图2)，并考虑单尾检验。我们用梅雷迪思和曼特尔(2002)《项目管理:管理方法》一书中的附录表估计了正态分布的累积概率F（z），类似的表格和图表通常出现在许多统计书籍中。

我们通过等式（5）来应用正态分布函数；当估计的年日最大降雨量概率大于大于特定事件的概率时，应用等式（6）；估算特定重现期的极端降水事件数量时，应用等式（7）。

其中

x 年度日最大降雨量

mu; 年度日最大降雨观测平均值

sigma; 年度日最大降雨观测值标准差

z 正态分布的标准差

F（z） 年日最大降雨量大于或等于x的累积概率

P（z） 年日最高雨量大于x的概率

N 预计在重现期的极端降水事件的频率

Nrsquo;年数

（图2所示。每日最高雨量数据的直方图。）

由于气候变化的影响，降雨事件的频率、强度、持续时间和模式正在发生变化(尼尔森，2012;Willems 等,2012)。Murshed 等(2011)研究了达卡的年日最大降雨量，预测了30年数据序列(1980年至2009年)对气候变化的影响和趋势分析，其增长率为2.7 mm。年日最大降水量的均值和标准差的变化可能会使等式(5)转化为等式(8)。

其中

3.结果与讨论

3.1 极端降雨事件

达卡的日降雨量最高记录为2009年9月14日的341 mm，而9月14日的333mm紧随其后。这些都是极端降雨事件，超过三分之二的城市被淹没(Ahasan 等， 2011)。大部分的街道被洪水淹没，交通系统在这些日子里崩溃(Murshed等， 2011)。1956年又发生了另一场极端降雨事件(326mm/天)。表1显示了达卡历史极端降水事件的排名。

从表1中可以显而易见，10次的极端降水事件有4次均发生在近些年(2004年、2006年、2008年和2009).这是气候变化正在改变孟加拉国降雨模式的明显证据。

表1 孟加拉国达卡市历史极端降雨事件

3.2 降雨特征

达卡市每年的降水日数从95到144不等，平均值是120，标准差是11.11。分布略有负偏移(minus;0.03),即左尾稍长于正态分布。峰度值为minus;0.22,意味着与正态分布相比,中央峰值较低，边界和尾部更短更薄。

一年中降雨量等于或少于10mm/日的天数为54到为85;平均值为67(标准差为6.99)，接近于模式(65)。其分布是偏右倾的，即与正态分布相比，中心峰高而尖。有时，达卡市的降雨强度非常高，降雨量大于或100毫米/日年平均值为2，标准差为1.55。表2显示了城市下雨天的详细情况。

达卡市的年降雨量从1169毫米到3028毫米不等;平均值为2076 mm，标准差为388.92。偏度和峰度值分别为0.22和0.09。趋势分析(简单回归法)对57年(1953年至2009年)的降雨量数据显示，每年有增加4.54毫米的趋势;然而，最近十年(2000年至2009年)的趋势显示，年增长率为55.90毫米。图3为达卡城市年降水量趋势分析。

该市每年最大月降雨量从266mm到856mm不等；平均值为528.54 mm，标准差为134.64。月最大降雨通常发生在7月(35%)，其次是6月(21%)。表3显示了达卡市降雨的描述性统计特征。

表2 孟加拉国达卡市降雨天数

（图三 达卡年降雨量趋势）

3.3 年度日最大降雨量的重现期

达卡的年最大降雨量的平均值和标准差分别为144.53 mm和61.31。将这些值代入等式(2);于是我们得到了等式(9)，用于估计极端降水事件的重现期。

等式（9）估计日降雨量大于或等于225mm和和425mm的重现期分别为4年和100年。图四显示了达卡年日最大降雨量的重现期的估计结果。

（图四 达卡年日最大降水量的重现期）

3.4 年度日最大降雨量变化的预报

57年(1953年至2009年)的年日最高雨量数据可以用等式(10)表示，由于降雨模式受到气候变化的影响而变化，因而未来几年将会失效。近30年(1980年至2009年)的年日最高降雨量增长率为3毫米/天，标准偏差为64.30。我们将这些变化(mu;= 147.53 mm,sigma;rsquo;= 64.30)加入到观测数据中，并使用等式（11）来预测未来57年(2010年至2066年)的年日最大降水量。当x = 200mm时，正态分布(z)的标准差为0.82。年日最大降雨量等于或小于200mm的累积概率为0.7939，这是由大多数统计书中可得到的正态分布表和图表得出的，因此，年日最大降雨量大于200毫米的概率为0.2061(详见图

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