Cập nhật ấn bản (31/03/2011). NOAA Atlas 14 Tập 6 thay thế Tập 1 cho các ước lượng tần suất mưa ở đông nam California. Xem tài liệu Tập 6 để biết dữ liệu và phương pháp phân tích cho California.
1. Giới thiệu
Các nghiên cứu tần suất mưa thường ngầm giả định tính ổn định khí hậu (quá khứ là dự báo cho tương lai). Để kiểm tra tính phù hợp của dữ liệu dùng trong Atlas này, nhóm đã kiểm định xu thế tuyến tính của trung bình và phương sai, cũng như dịch chuyển trung bình, đối với chuỗi cực đại năm 1 ngày. Kết quả của từng phép kiểm định được trình bày, kèm hai ví dụ trạm có xu thế tuyến tính và có dịch chuyển. Kết luận: mặc dù có một số trường hợp cục bộ xuất hiện xu thế tuyến tính hay dịch trung bình, không quan sát thấy tác động nhất quán của biến đổi khí hậu lên các chuỗi cực đại năm dùng cho Atlas này; do đó ảnh hưởng đến thống kê L-moment và kết quả là nhỏ. Vì vậy, để tăng độ vững, toàn bộ giai đoạn số liệu sẵn có đều được sử dụng.
2. Kiểm định xu thế tuyến tính
2.1. Phương pháp
Mục tiêu là xác định liệu chuỗi cực đại năm 1 ngày tại một trạm qua thời gian có xu thế tăng hay giảm hay không.
- Kiểm định xu thế tuyến tính dùng mô hình hồi quy tuyến tính và kiểm định t cho hệ số tương quan (Maidment, 1993, tr. 17.30) ở mức tin cậy 90%.
- Xu thế của phương sai được kiểm bằng cách xây dựng biến liên quan đến phương sai, chỉ số độ lệch bình phương: vi=(xi−xˉ)2,v_i=(x_i-\bar{x})^2, với xix_i là giá trị cực đại năm tại năm ii của trạm, xˉ\bar{x} là trung bình chuỗi. Biến viv_i được dùng làm biến phụ thuộc trong mô hình xu thế tuyến tính.
- Chuỗi thời gian phải liên tục mới đủ điều kiện kiểm định. Tối thiểu 50 năm được chọn vì đủ cho kết quả tin cậy và gần với độ dài dữ liệu trung bình. 52 trạm đủ điều kiện nhưng không liên tục (có khoảng trống ≥5 năm). Ngưỡng 5 năm được chọn để tận dụng tối đa dữ liệu mà vẫn đảm bảo tính nghiêm ngặt của kiểm định.
2.2. Kết quả kiểm định xu thế tuyến tính
Trong 1.449 trạm, 735 trạm (50,7%) đủ điều kiện kiểm định. Trong số này:
- 15,2% có xu thế tuyến tính trong chuỗi cực đại năm ( 9,1% tăng, 6,1% giảm ).
- Bảng A.3.1 liệt kê kết quả theo bang và vùng dự án (kể cả vùng biên).
- Hình A.3.1 thể hiện phân bố không gian của các trạm có xu thế tuyến tính.
Bảng A.3.1. Số trạm được kiểm định và kết quả kiểm định xu thế tuyến tính theo bang.
| Bang | Số trạm kiểm định | Không xu thế | Có xu thế | Xu thế tăng | Xu thế giảm | % có xu thế |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Arizona | 125 | 111 | 14 | 10 | 4 | 11.2 |
| California | 219 | 192 | 27 | 20 | 7 | 12.3 |
| Colorado | 40 | 34 | 6 | 2 | 4 | 15.0 |
| Idaho | 23 | 21 | 2 | 1 | 1 | 8.7 |
| Nevada | 40 | 34 | 6 | 2 | 4 | 15.0 |
| New Mexico | 136 | 115 | 21 | 13 | 8 | 15.4 |
| Oklahoma | 3 | 3 | 0 | 0 | 0 | 0.0 |
| Oregon | 7 | 5 | 2 | 2 | 0 | 28.6 |
| Texas | 28 | 24 | 4 | 3 | 1 | 14.3 |
| Utah | 107 | 79 | 28 | 12 | 16 | 26.2 |
| Wyoming | 7 | 5 | 2 | 2 | 0 | 28.6 |
| Tổng | 735 | 623 | 112 | 67 | 45 | 15.2 |
Ghi nhanh: Trong 735 trạm được kiểm định, 15,2% thể hiện xu thế tuyến tính; các bang có tỷ lệ cao nhất là Oregon và Wyoming (28,6%), kế đến Utah (26,2%).
Hai cụm xu thế tăng đáng chú ý: 8 trạm ở Bắc California (có thể kéo dài tới Nam California) và 10 trạm ở Bắc Utah – đều thuộc vùng núi. Nhiều trạm xu thế tăng cũng xuất hiện ở Đông Nam Arizona và Nam New Mexico (ảnh hưởng gió mùa).
Các trạm xu thế giảm tập trung hơn ở Nam Utah kéo xuống Bắc New Mexico.
Nhìn chung: không thấy xu thế tuyến tính rõ rệt trong chuỗi cực đại năm đã kiểm định và cũng không có thiên lệch vị trí địa lý rõ ràng.
2.3. Kết quả xu thế phương sai
Trong 735 trạm được kiểm định, 12,7% có xu thế ở phương sai của cực đại năm (3,3% tăng, 9,4% giảm) — tức đa số trạm có xu thế này là giảm phương sai. Bảng dưới liệt kê theo bang:
| Bang | Số trạm kiểm định | Không xu thế | Có xu thế | Xu thế tăng | Xu thế giảm | % trạm có xu thế |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Arizona | 125 | 116 | 9 | 5 | 4 | 7.2 |
| California | 219 | 198 | 21 | 9 | 12 | 9.6 |
| Colorado | 40 | 35 | 5 | 0 | 5 | 12.5 |
| Idaho | 23 | 22 | 1 | 0 | 1 | 4.3 |
| Nevada | 40 | 34 | 6 | 0 | 6 | 15.0 |
| New Mexico | 136 | 110 | 26 | 5 | 21 | 19.1 |
| Oklahoma | 3 | 3 | 0 | 0 | 0 | 0.0 |
| Oregon | 7 | 6 | 1 | 1 | 0 | 14.3 |
| Texas | 28 | 25 | 3 | 1 | 2 | 10.7 |
| Utah | 107 | 87 | 20 | 3 | 17 | 18.7 |
| Wyoming | 7 | 6 | 1 | 0 | 1 | 14.3 |
| Tổng | 735 | 642 | 93 | 24 | 69 | 12.7 |
Diễn giải: “Có xu thế” ở đây là xu thế thay đổi phương sai theo thời gian của chuỗi cực đại năm 1-ngày; phần lớn bang có tỷ lệ xu thế giảm phương sai cao hơn tăng.
Có một vùng có xu thế giảm của phương sai, xấp xỉ trùng với vùng có xu thế tuyến tính âm kéo qua nam Utah và bắc New Mexico.
Nhìn chung, không thấy xu thế tuyến tính rõ rệt nào của phương sai trong các chuỗi cực đại năm đã kiểm định, và cũng không có thiên lệch theo vị trí địa lý rõ ràng.
3. Kiểm định “dịch chuyển” của trung bình
3.1. Phương pháp
Một phép kiểm định “dịch chuyển” được thực hiện để so sánh trung bình của chuỗi cực đại năm 1 ngày giữa hai giai đoạn liên tiếp tại từng trạm. Dữ liệu được kiểm tra sự dịch chuyển trung bình bằng kiểm định phi tham số Mann–Whitney (Newbold, 1988, tr. 403) và kiểm định t (Lin, 1980, tr. 160) ở mức tin cậy 90%.
- Mann–Whitney là kiểm định định tính: cho biết có xảy ra dịch chuyển hay không, nhưng không cho biết chiều dịch chuyển.
- Kiểm định t cho định lượng: ước tính tỷ lệ phần trăm mà trung bình thay đổi từ giai đoạn này sang giai đoạn kế tiếp.
Hai phép kiểm định cho kết quả nhất quán, hàm ý có thể tin cậy dùng kết quả kiểm định t để gán giá trị định lượng cho các dịch chuyển quan sát được.
Dữ liệu được chia thành hai giai đoạn liên tiếp theo hai mốc thời gian:
- 1958 – vì 1958 là năm cuối có số liệu trong Technical Paper 40 (Hershfield, 1961);
- 1970 – vì 1970 là năm cuối dữ liệu của NOAA Atlas 2 (Miller và nnk., 1973).
Kết quả theo cách chia này cho biết có xảy ra dịch chuyển kể từ sau khi các ước lượng tần suất mưa trước đây được công bố hay không. Mỗi đoạn dữ liệu tại một trạm phải có tối thiểu 30 năm để đủ điều kiện kiểm tra dịch chuyển trung bình. Khi dùng mốc 1970 thì nhiều trạm hơn đủ điều kiện, do những năm gần đây có nhiều số liệu hơn.
Vì kiểm định Mann–Whitney dựa trên xếp hạng, tốt nhất là hai mẫu con có kích thước tương tự nhau. Ngưỡng chênh lệch 30 năm được đặt ra (dựa trên thử nghiệm) để sàng lọc các trạm đủ điều kiện cho kiểm định này. Ngược lại, vì kiểm định t là tham số (tuân theo phân phối t / chuẩn), nên ít nhạy với khác biệt kích thước mẫu; do đó trong dự án này một số trạm không đủ điều kiện cho Mann–Whitney vẫn được dùng cho kiểm định t.
3.2. Kết quả kiểm định “dịch chuyển” trung bình
Khi chia mốc 1958:
- Kiểm định t: 242/1449 trạm (16,7%) đủ điều kiện. Trong số được kiểm, 14,1% có dịch chuyển trung bình (8,7% tăng, 5,4% giảm).
- Mann–Whitney: 243/1449 trạm (16,8%) đủ điều kiện. 15,2% trong số này có dịch chuyển trung bình.
Khi chia mốc 1970:
- Kiểm định t: 288/1449 trạm (19,9%) đủ điều kiện. 13,2% có dịch chuyển trung bình (7,0% tăng, 6,2% giảm).
- Mann–Whitney: 193/1449 trạm (13,3%) đủ điều kiện. 10,4% có dịch chuyển trung bình.
Bảng A.3.3 và A.3.4 liệt kê kết quả theo bang (kể cả vùng biên).
- A.3.3: so sánh trước–sau 1958.
- A.3.4: so sánh trước–sau 1970.
Cột cuối mỗi bảng là % thay đổi trung bình của từng bang. Tổng quát, các dịch chuyển trung bình không thiên về tăng hay giảm, bất kể mốc thời gian dùng để chia.
Ý nghĩa cột:
# Tested: số trạm đủ điều kiện kiểm định
# No Shift: không thấy dịch chuyển trung bình
# Shift: có dịch chuyển trung bình
# Pos. Shift / # Neg. Shift: số trạm dịch chuyển theo chiều tăng/giảm
% Change in Mean: % thay đổi trung bình (trung bình theo bang)
Bảng A.3.3 — Chia mốc 1958
| Bang | #Tested | #No Shift | #Shift | + | − | % đổi TB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Arizona | 42 | 38 | 4 | 3 | 1 | 6.6 |
| California | 59 | 50 | 9 | 7 | 2 | 9.3 |
| Colorado | 12 | 10 | 2 | 0 | 2 | −15.0 |
| Idaho | 10 | 9 | 1 | 1 | 0 | 13.9 |
| Nevada | 19 | 15 | 4 | 1 | 3 | −6.9 |
| New Mexico | 44 | 38 | 6 | 4 | 2 | 5.3 |
| Oklahoma | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0.3 |
| Oregon | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 17.3 |
| Texas | 3 | 2 | 1 | 1 | 0 | 20.1 |
| Utah | 47 | 41 | 6 | 5 | 1 | 1.0 |
| Wyoming | 4 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Tổng | 242 | 208 | 34 | 21 | 13 | 4.2 (tb) |
Bảng A.3.4 — Chia mốc 1970
| Bang | #Tested | #No Shift | #Shift | + | − | % đổi TB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Arizona | 49 | 44 | 5 | 2 | 3 | −4.8 |
| California | 79 | 70 | 9 | 3 | 6 | −4.2 |
| Colorado | 11 | 11 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Idaho | 12 | 11 | 1 | 1 | 0 | 27.9 |
| Nevada | 19 | 14 | 5 | 2 | 3 | −8.3 |
| New Mexico | 53 | 45 | 8 | 6 | 2 | 9.7 |
| Oklahoma | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Oregon | 3 | 3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Texas | 12 | 11 | 1 | 1 | 0 | 25.0 |
| Utah | 49 | 40 | 9 | 5 | 4 | 1.3 |
| Wyoming | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Tổng | 288 | 250 | 38 | 20 | 18 | 1.0 (tb) |
Nhận xét nhanh:
Tỷ lệ trạm có dịch chuyển trung bình nhỏ: ~14% (1958) và ~13% (1970).
Chiều tăng/giảm không thiên lệch rõ ràng (gần cân bằng giữa + và −).
Một số % thay đổi lớn (ví dụ Idaho 27.9%, Texas 25.0%) đi kèm mẫu rất nhỏ (chỉ 1 trạm có dịch chuyển), nên cần thận trọng khi diễn giải.
Hình A.3.3 và A.3.4 cho thấy phân bố không gian của các trạm có dịch chuyển trung bình. Các con số cạnh vị trí trạm biểu thị phần trăm thay đổi của trung bình tại từng trạm. Nhìn chung, kết quả phù hợp với kết quả về xu thế tuyến tính. Tuy nhiên, do mật độ trạm được kiểm định khá thưa, rất khó rút ra kết luận chắc chắn.
4. Ví dụ minh họa
Trong nhiều trường hợp, các trạm có xu thế tuyến tính tăng/giảm cũng đi kèm một dịch chuyển của trung bình theo cùng chiều. Hình A.3.5 minh họa xu thế tuyến tính tăng kèm dịch chuyển trung bình tăng (chia mốc 1958) tại trạm Dobbins 1 S, California (04-2456). Chuỗi thời gian của trạm (1904–2000) được vẽ, đường thẳng liền biểu diễn xu thế tuyến tính. Có dịch chuyển trung bình tăng +16,6%: từ giai đoạn 1904–1958 (3,01 inch) sang 1959–2000 (3,51 inch). Trung bình của từng giai đoạn được thể hiện bằng các đường nằm ngang riêng rẽ. Phần số liệu về sau không đủ để kiểm định dịch chuyển trung bình với cách chia 1971. Trạm này không thể hiện xu thế tuyến tính ở phương sai của trung bình.
Hình A.3.6 cho thấy xu thế tuyến tính giảm kèm dịch chuyển trung bình giảm (chia mốc 1971) tại Lemon Cove, CA (04-4890). Chuỗi dữ liệu 1899–2000 đủ để chạy tất cả kiểm định. Ghi nhận xu thế tuyến tính giảm và dịch chuyển trung bình giảm cho cả hai cách chia 1958 và 1971.
- Với chia 1899–1958 và 1959–2000: trung bình 1,69 inch giảm 13,1% còn 1,47 inch.
- Với chia 1899–1971 và 1972–2000: trung bình 1,69 inch giảm 18,1% còn 1,39 inch (thể hiện trên hình).
Xu thế tuyến tính của phương sai cũng giảm theo thời gian, cho thấy số sự kiện cực đoan giảm dần. Sự giảm phương sai được thể hiện trên hình bằng các đường gạch nằm ra ngoài hai phía của đường xu thế tuyến tính.
5. Kết luận
Chuỗi cực đại năm 1 ngày tại các trạm dùng trong NOAA Atlas 14 – Tập 1 đã được kiểm tra xu thế tuyến tính, xu thế tuyến tính của phương sai và dịch chuyển trung bình. Có thể rút ra các kết luận sau cho các trạm đã kiểm định:
- Nhìn chung, đa số trạm trong khu vực dự án không cho thấy xu thế tuyến tính hay dịch chuyển trung bình trong chuỗi cực đại năm.
- Ngoại trừ hai cụm khả dĩ, không có ưu thế địa lý rõ rệt nào về vị trí của các trạm biểu hiện xu thế hoặc dịch chuyển.
Vì kết quả cho thấy tác động của thay đổi lên các thống kê dùng để ước lượng tần suất mưa khá nhỏ và không nhất quán theo không gian, nên toàn bộ chuỗi lịch sử đã được sử dụng trong Atlas này.
Hỗ trợ duy trì trang:
Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.
Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.