Mann-Kendall检验是一种非参数检验(无分布检验),其优点是不要求样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰。常用于对降水、径流、气温和水质等要素时间序列变化趋势和突变点分析。
趋势分析
MK检验是检验是否拒绝零假设(null hypothesis:H0),并接受替代假设(alternative hypothesis:H1):
H0:没有单调趋势
H1:存在单调趋势
最初的假设是:H0为真,在拒绝H0并接受H1之前,数据必须要超出合理怀疑——要到达一定的置信度。
在MK检验中,原假设H0为时间序列数据(),是n个独立的、随机变量同分布的样本;备选假设H1是双边检验,对于所有的,且,和的分布是不相同的,检验的统计量S计算如下:
其中,分别为第时间序列对应的观测值,且,sgn()是符号函数:
当n≥8时,统计量S大致的服从正态分布,在不考虑序列存在等值数据点的情况下,其均值E(S)=0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。标准化后的检验统计量Z计算如下:
在双边趋势检验中,对于给定的置信水平(显著性水平)α,若,则原假设H0是不可接受的,即在置信水平α(显著性检验水平)上,时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示上升趋势,负值表示减少趋势,Z的绝对值在大于等于1.645,1.96,2.576时表示分别通过了置信度90%,95%,99%的显著性检验。计算过程:以α=0.1为例,,查询标准正态分布表Z0.95=1.645,故Z≥1.645时通过90%的显著性检验,H0假设不成立,Z>0,序列存在上升趋势。
方差Var简化前计算公式:
减法后面方程式含义:将观测到的数据按照相同元素进行分组,为分组数,为每一组元素个数,之后分别计算求和。
举例:如一组数据(1,1,2,2,2,3,4,4,4,4),其中可以分为4组,以(元素,元素个数)格式显示,分别是(1,2个)、(2,3个)、(3,1个)、(4,4个),则g=4,依次带入求和:2(2-1)(2×2+5)+3(3-1)(2×3+5)+1(1-1)(2×1+5)+4(4-1)(2×4+5),由公式可知,若序列中每个元素只出现一次,则求和部分结果为0,方差方程式就简化为。
衡量趋势大小的指标,用倾斜度β表示为:
median表示中位值,β为正值表示“上升趋势”,β为负值表示“下降趋势”。