Στατιστική ανάλυση βροχοπτώσεων της περιοχής Δοϊράνης:
Creators: name: Μαργαριτίδης, Αθανάσιος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Βροχόπτωση
Ανάλυση τάσης
Μη παραμετρικοί έλεγχοι
Δοϊράνη
Precipitation
Trend analysis
Non parametric tests
Doiran

description: Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι κυρίως η μελέτη της τάσης της βροχόπτωσης στην περιοχή της λίμνης Δοϊράνης. Επίσης, επιχειρήθηκε μια σύντομη διερεύνηση της επιρροής της τάσης της βροχόπτωσης στην μείωση της στάθμης της λίμνης Δοϊράνης βορειοδυτικά της περιοχής της Π.Ε. Κιλκίς. Επιλέχθηκαν τέσσερις (4) σταθμοί των οποίων τα δεδομένα ήταν διαθέσιμα προς μελέτη, κατανεμημένοι κατά το όσο δυνατόν ομοιόμορφα στην γεωγραφική περιοχή. Τα υψόμετρα των σταθμών κυμαίνονται από 90 έως 480 μέτρα. H συμπλήρωση των ελλειπουσών τιμών πραγματοποιήθηκε σε έναν από τους τέσσερις σταθμούς (1.38% του συνόλου της βάσης δεδομένων των χρονοσειρών μελέτης) με την μέθοδο της απλής γραμμικής παλινδρόμησης με εισαγωγή τυχαίου όρου, ενώ ελέγχθηκε η σχετική και απόλυτη ομοιογένεια με διάφορες μεθόδους. Η ομοιογένεια με σταθμό βάσης (σχετική ομοιογένεια) εξετάστηκε με τη μέθοδο της διπλής αθροιστικής καμπύλης ενώ ανεξαρτήτου σταθμού βάσης (απόλυτη ομοιογένεια) με τέσσερις μεθόδους (Pettitt test, Buishand range test, Von Neumman test και Standard Normal Homogeneity test). Η ανάλυση των τάσεων εξετάστηκε με διάφορους μη παραμετρικούς ελέγχους, σε επίπεδο σταθμού και περιοχής για την ανίχνευση βαθμιαίας και απότομης αλλαγής των χρονοσειρών βροχόπτωσης. Πριν την ανάλυση της τάσης πραγματοποιήθηκε έλεγχος της σειριακής συσχέτισης (lag-1) και όπου αυτή εμφανίστηκε στατιστικά σημαντική (5% επίπεδο σημαντικότητας) έγινε αφαίρεση αυτής από τη χρονοσειρά μελέτης με την μέθοδο Pre-Whitening. Η ανάλυση της βαθμιαίας αλλαγής της τάσης της βροχόπτωσης σε επίπεδο σταθμού πραγματοποιήθηκε με τους ελέγχους Mann – Kendall, Spearman και Sen - T. Στη συνέχεια, για την εκτίμηση της κλίσης της τάσης χρησιμοποιήθηκε ο έλεγχος Sen’s Estimate of Slope. Επίσης, εφαρμόστηκε ο εποχικός έλεγχος Seasonal Mann - Kendall (U.S.G.S.) για την εκτίμηση της τάσης σε κάθε σταθμό λαμβάνοντας υπόψη την εποχικότητα. Τέλος, εφαρμόστηκε ο μη παραμετρικός έλεγχος συσσωρευτικού αθροίσματος (distribution free CUSUM) για την ανίχνευση πιθανών απότομων αλλαγών βροχομετρικής τάσης. Σε επίπεδο περιοχής, εφαρμόστηκαν οι μη παραμετρικοί χωρικοί έλεγχοι Μann - Kendall (U.S.G.S.) και Mann – Kendall (Partal-Kahya) προς τη διερεύνηση ύπαρξης βροχομετρικής τάσης στην περιοχή μελέτης. Ο έλεγχος της ομοιογένειας αλλά και της τάσης, επιχειρήθηκε σε επίπεδο σταθμού και περιοχής για τη χρονική περίοδο 1980-2000, σε ετήσιο, εποχικό (χειμώνας-άνοιξη-καλοκαίρι-φθινόπωρο), και μηνιαίο χρονικό βήμα καθώς επίσης και κατά την αρδευτική περίοδο (Μάιος - Σεπτέμβριος). Τα αποτελέσματα της σχετικής ομοιογένειας θεωρήθηκαν ικανοποιητικά για όλους τους σταθμούς, ενώ τρείς από τις τέσσερις μεθόδους απόλυτης ομοιογένειας έδειξαν την ύπαρξη πιθανής βροχομετρικής ασυνέπειας στο υδρολογικό έτος 1993 για έναν από τους τέσσερις σταθμούς. Η τάση της βροχόπτωσης σύμφωνα με τους μη παραμετρικούς ελέγχους εμφανίστηκε γενικά πτωτική κατά την περίοδο του υδρολογικού έτους, αν και στατιστικά μη σημαντική, για την πλειοψηφία των σταθμών μελέτης. Σε εποχική κλίμακα, η μοναδική στατιστικά σημαντική τάση εντοπίστηκε στη χρονοσειρά ενός σταθμού το καλοκαίρι, η οποία επαληθεύτηκε από τα αποτελέσματα όλων των μη παραμετρικών ελέγχων σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Επίσης, παρατηρήθηκε γενική πτωτική τάση της βροχόπτωσης την περίοδο της άνοιξης, σε όλους τους σταθμούς και για όλους τους ελέγχους. Κατά την αρδευτική περίοδο αλλά και σε μηνιαίο χρονικό βήμα δεν παρατηρήθηκαν τάσεις στατιστικά σημαντικές σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης της τάσης επαληθεύτηκαν στατιστικά και με τα αντίστοιχα του ελέγχου εκτίμησης της κλίσης της τάσης της βροχόπτωσης (Sen’s Estimate of Slope) σε επίπεδο σταθμού. Η ενιαία ανάλυση των τεσσάρων εποχών σύμφωνα με τον εποχικό έλεγχο Mann – Kendall (U.S.G.S.), δεν ανίχνευσε στατιστικά σημαντική τάση βροχόπτωσης στις χρονοσειρές. Ως πιθανή απότομη αλλαγή της τάσης της βροχόπτωσης, εντοπίστηκε το έτος 1993 σε ένα σταθμό, σε αντιστοιχία με τις απόλυτες μεθόδους ελέγχου της ομοιογένειας. Σε επίπεδο περιοχής τόσο ο χωρικός έλεγχος Mann – Kendall (U.S.G.S.) όσο και ο χωρικός επίσης έλεγχος Mann – Kendall (Partal – Kahya) δεν εμφάνισαν στατιστικά σημαντικές τάσεις αν και σε επίπεδο υδρολογικού έτους παρατηρήθηκε πτωτική τάση και με τους δύο ελέγχους. Η μελέτη της κλίσης της τάσης επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα των μεθόδων της τάσης σε επίπεδο περιοχής για το ίδιο επίπεδο σημαντικότητας (5%). Σχετικά με τη συσχέτιση της βροχόπτωσης και της στάθμης της λίμνης παρά την ύπαρξη ορισμένων περιόδων αυξητικών βροχοπτώσεων, η στάθμη της λίμνης Δοϊράνης διαγράφει μια συνεχή πτωτική πορεία κυρίως από το έτος 1987 έως και το 2000, γεγονός που μπορεί να οφείλεται και σε εξωγενείς παράγοντες.
description: This thesis aims to study the trend of rainfall in the region of the lake Doiran. A brief investigation of the influence of rainfall trend to the decrease of the lake Doiran water level was also attempted. In the study area four meteorological stations were used, whose data were available, distributed as evenly as possible in the geographical area. The station elevations range from 90 to 480 meters. The data consist of monthly rainfall values during the period 1980-2000. The data filling of missing values was performed to only one of station (1.38% of the database of the time series study) by the method of simple linear regression by introducing random term. The relative homogeneity of rainfall time series was tested by the method of double mass curve while the absolute homogeneity was tested with the use of four statistical methods, (Pettitt test, Buishand range test, Von Neumman test and Standard Normal Homogeneity test). The trends analysis was examined with the application of various non parametric tests, at a station and regional basis, in order to detect gradual and abrupt change of time series rainfall. Prior application of trend tests, the existence of serial correlation (lag – 1) was tested and where it appeared statistically significant (5% significance level), serial correlation was removed from the time series study with the Pre – Whitening method. The analysis of the gradual change of the trend of rainfall at a station basis was realized with Mann – Kendall, Spearmann and Sen’s – T tests. The estimation of the slope of the rainfall trend was evaluated through Sen’s Estimate of Slope. Also, the seasonal Mann – Kendall test (U.S.G.S.) was applied to estimate the trend of each station taking seasonality into account. Finally, the Distribution Free Cumulative Sum test was applied in order to detect possible abrupt changes of rainfall trend. At regional level, non parametric tests such as Regional Mann – Kendall (U.S.G.S.) and Regional Mann – Kendall (Partal – Kahya) were applied to explore the existence of rainfall trend in the study area. The whole analysis was performed for each station separately as well as for the whole study area for the period 1980 – 2000, in an annual, seasonal (winter – spring – summer – autumn), and monthly time step as well as during the irrigation season (from May to September). The results of the relative homogeneity analysis were considered as satisfactory for all stations, while three of the four methods of absolute homogeneity showed a probable rainfall shift during the hydrological year 1993 for one of the four stations. At station basis, the trend of rainfall, according to the non parametric tests, appeared generally downward over the period of the hydrological year, even though statistically not important, for the majority of the stations of study. At a seasonal scale, the only statistically significant trend was detected by all tests in the time series of one station during the summer season at a confidence level 95%. Additionally, there has been observed a general downward trend of rainfall during the period of spring in all stations. As it concerns the irrigation season and the monthly time analysis there were no statistically significant trends at 95% confidence level. The statistical results of gradual trend analysis were verified through the Sen’s estimation of slope, at the same confidence level, and relatively small values of trend magnitude were found. The findings of abrupt trend change analysis were quite consistent with the ones produced by the absolute homogeneity tests. Regional trend analysis, using the regional versions of Mann – Kendall (U.S.G.S. and Partal – Kahya) showed no statistically significant trends although at hydrological year level a downward trend was observed with both tests. The evaluation of trend magnitude confirmed the results of regional Mann-Kendall tests for the same significance level (5%). Concerning the correlation of rainfall and the water level of the lake, it has been pointed out that even though during the study period there are certain increasing rainfall periods, the level of Lake Doiran has a quite continous downward course for the period 1987-2000, fact that can be attributed to exterior factors.