python改寫MK趨勢檢驗

(一)關于MK檢驗

降雨、徑流分析采用非參數檢驗方法曼-肯德爾法(Mann-Kendall)檢驗法來檢測涇河合水川流域降水的長期變化趨勢和突變情況。在時間序列趨勢分析中,Mann-Kendall檢驗方法,最初由Mann和Kendall提出,許多學者不斷應用Mann-Kendall方法分析降水、徑流、氣溫和水質等要素時間序列趨勢變化[6-7]。Mann-Kendall檢驗不需要樣本遵循一定的分布,也不受少數異常值的干擾,適用于水文、氣象等非正態分布的數據,計算方便。
在Mann-Kendall檢驗中,原假設H0為時間序列數據(X1,…,Xn),是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本;備擇假設H1 是雙邊檢驗,對于所有的k,j≤n,且k≠j,Xk和Xj的分布是不相同的,檢驗的統計量S計算如下式:

Paste_Image.png

其中,
Paste_Image.png

S為正態分布,其均值為0,方差 。當n>10時,標準的正態系統變量通過下式計算:

Paste_Image.png

這樣,在雙邊的趨勢檢驗中,在給定的α置信水平上,如果


Paste_Image.png

則原假設是不可接受的,即在α置信水平上,時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。對于統計量Z,大于0時是上升趨勢;小于0時是下降趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1、64和2.32時,分別表示通過了信度90%,95%,99%的顯著性檢驗。
(二)Matlab原有代碼

function [slope,zc,za,sign]=MannKendall(x)

%計算S

s=0;

len=size(x,2);

for m=1:len-1

for n=m+1:len

if x(n)>x(m)

s=s+1;

elseif x(n)==x(m)

s=s+0;

else

s=s-1;

end

end

end

%計算vars和e

vars=len(len-1)(2*len+5)/18;

%計算zc

if s>0

zc=(s-1)/sqrt(vars);

else

zc=(s+1)/sqrt(vars);

end

%計算za

za=var(x);

sign=0;

zc1=abs(zc);

if zc1 >= za

sign=1;

else

sign=0;

end

%計算傾斜度

ndash = len * ( len - 1 ) / 2;

slope1= zeros( ndash, 1 );

m=1;

for k = 1:len-1,

for j = k+1:len,

slope1(m) = ( x(j) - x(k) ) / ( j - k ) ;

m = m + 1;

end;

end;

slope= median( slope1 );

該代碼中,關于檢驗部分有錯誤,檢驗應該查找正態分布表

(三)python代碼
將代碼放在mk包里,內部目錄如下:

Paste_Image.png

主要函數放在mk.py中,代碼如下:

-- coding: utf-8 --

"""
Created on Sat Oct 29 11:37:59 2016

@author: Administrator
"""

def mk_trend(x):

導入math和numpy

import math
import numpy as np

計算s

s=0
length=len(x)
for m in range(0,length-1):
    print(m)
    print('/')
    for n in range(m+1,length):
        print(n)
        print('*')
        if x[n]>x[m]:
            s=s+1
        elif x[n]==x[m]:
            s=s+0
        else:
            s=s-1
#計算vars
vars=length*(length-1)*(2*length+5)/18
#計算zc
if s>0:
    zc=(s-1)/math.sqrt(vars)
elif s==0:
    zc=0
else:
    zc=(s+1)/math.sqrt(vars)
    
#計算za    
zc1=abs(zc)
    
#計算傾斜度
ndash=length*(length-1)/2
slope1=np.zeros(ndash)
m=0
for k in range(0,length-1):
    for j  in range(k+1,length):
        slope1[m]=(x[j]-x[k])/(j-k)
        m=m+1
        
slope=np.median(slope1)
return (slope,zc1)

在test_mk中調用:

Paste_Image.png

-- coding: utf-8 --

"""
Created on Sat Oct 29 13:41:34 2016

@author: Administrator
"""

from mk import mk

(slope,zc1)=mk.mk_trend([1,3,5,8,9])

得到的slope表示趨勢,大于零為上升趨勢,小于零為下降趨勢;zc1用于進行趨勢檢驗,原假設為不存在趨勢,在雙邊的趨勢檢驗中,在給定的α置信水平上,如果


Paste_Image.png

則原假設是不可接受的,即在α置信水平上,時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z1-a/2需要查找正態分布表,例如在0.05的置信水平下,要查找0.9725處的z值,為1.92。

Paste_Image.png

程序輸出的結果如下,因此該趨勢為明顯的上升趨勢。

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