สถิติอุทกวิทยาและการวิเคราะห์ความถี่

สถิติอุทกวิทยาประยุกต์ใช้วิธีความน่าจะเป็นและวิธีการเชิงสุ่มกับข้อมูลอุทกวิทยาเพื่ออธิบายลักษณะความแปรปรวนและเพื่อประมาณความถี่ของเหตุการณ์สุดขีด เช่น น้ำท่วมและภัยแล้ง

Definition

สถิติอุทกวิทยาและการวิเคราะห์ความถี่คือการประยุกต์ใช้ทฤษฎีความน่าจะเป็นและสถิติกับข้อมูลอุทกวิทยาเพื่ออธิบายความแปรปรวนและเพื่อประมาณขนาดและความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ โดยเฉพาะเหตุการณ์สุดขีด สำหรับการออกแบบและการประเมินความเสี่ยง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการแจกแจงความน่าจะเป็นสำหรับตัวแปรทางอุทกวิทยา การประมาณค่าพารามิเตอร์รวมถึง L-moments การวิเคราะห์ความถี่และการวิเคราะห์ความถี่เชิงภูมิภาคของเหตุการณ์สุดขีด และข้อสมมติฐานเรื่องภาวะคงที่ (stationarity) โดยเป็นรากฐานทางสถิติสำหรับค่าออกแบบที่ใช้ในงานอุทกวิทยาทั่วไป รวมถึงการประมาณค่าน้ำท่วมและภัยแล้ง

Core questions

• ตัวแปรทางอุทกวิทยาถูกอธิบายด้วยการแจกแจงความน่าจะเป็นได้อย่างไร?
• พารามิเตอร์การแจกแจงถูกประมาณค่าอย่างน่าเชื่อถือจากข้อมูลบันทึกสั้นๆ ได้อย่างไร?
• การวิเคราะห์ความถี่ถูกขยายไปในระดับภูมิภาคและไปยังพื้นที่ที่ไม่มีสถานีวัดได้อย่างไร?
• ข้อสมมติฐานเรื่องภาวะคงที่ยังคงใช้ได้ภายใต้การเปลี่ยนแปลงหรือไม่?

Key concepts

• การแจกแจงความน่าจะเป็นในอุทกวิทยา
• ช่วงเวลาคืนทุนและควอนไทล์
• การประมาณค่าพารามิเตอร์และ L-moments
• การวิเคราะห์ความถี่เชิงภูมิภาค
• ภาวะคงที่และภาวะไม่คงที่
• อุทกวิทยาสุ่ม

Key theories

การวิเคราะห์ความถี่ของเหตุการณ์สุดขีด

เหตุการณ์สุดขีดทางอุทกวิทยาถูกจำลองด้วยการแจกแจงความน่าจะเป็น ซึ่งควอนไทล์ของมันให้ค่าออกแบบ การปฏิบัติที่ดีควรพิจารณาการเลือกการแจกแจง การประมาณค่าพารามิเตอร์ และการจัดการกับค่าผิดปกติและข้อมูลบันทึกสั้นๆ

การวิเคราะห์ความถี่เชิงภูมิภาคด้วย L-moments

การรวมข้อมูลจากหลายพื้นที่และใช้ L-moments ให้การประมาณค่าควอนไทล์สุดขีดที่แข็งแกร่งกว่าการวิเคราะห์เฉพาะพื้นที่ ซึ่งช่วยปรับปรุงการประมาณค่าในพื้นที่ที่มีข้อมูลบันทึกสั้นหรือไม่บันทึกเลย

ภาวะไม่คงที่

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการใช้ที่ดินอาจละเมิดข้อสมมติฐานภาวะคงที่ซึ่งเป็นพื้นฐานของการวิเคราะห์ความถี่แบบดั้งเดิม กระตุ้นให้มีการพัฒนาวิธีการที่คำนึงถึงแนวโน้มและความเสี่ยงที่เปลี่ยนแปลงไป

Clinical relevance

สถิติอุทกวิทยาให้ข้อมูลเกี่ยวกับน้ำท่วมออกแบบ ปริมาณน้ำไหลต่ำสุด และค่าปริมาณน้ำฝนที่ใช้ในการกำหนดขนาดและควบคุมโครงสร้างพื้นฐาน การกำหนดราคาประกันน้ำท่วม และการวางแผนทรัพยากรน้ำ การถกเถียงเรื่องภาวะคงที่ส่งผลโดยตรงต่อการประมาณค่าออกแบบเหล่านี้ภายใต้สภาพภูมิอากาศที่เปลี่ยนแปลงไป

History

อุทกวิทยาสถิติเติบโตขึ้นพร้อมกับทฤษฎีค่าสุดขีดและข้อมูลบันทึกที่ยาวนานขึ้นตลอดศตวรรษที่ 20 วิธีการเชิงภูมิภาคแบบ L-moment ช่วยปรับปรุงการประมาณค่าในช่วงทศวรรษ 1990 และข้อโต้แย้งในปี 2008 ที่ว่า 'ภาวะคงที่ได้ตายไปแล้ว' ได้ตอกย้ำความกังวลว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศบ่อนทำลายข้อสมมติฐานหลักของการวิเคราะห์ความถี่

Debates

ภาวะคงที่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

การถกเถียงที่สำคัญคือข้อสมมติฐานภาวะคงที่ที่ใช้มานานยังคงใช้ได้สำหรับการออกแบบหรือไม่ และหากไม่เป็นเช่นนั้น จะรวมภาวะไม่คงที่และความไม่แน่นอนเชิงลึกเข้ากับการวิเคราะห์ความถี่และการจัดการน้ำได้อย่างไร

Key figures

• Jery R. Stedinger
• Jonathan R. M. Hosking
• P. C. D. Milly

Seminal works

• stedinger1993
• hosking1997
• milly2008

Frequently asked questions

เหตุใดจึงต้องใช้การวิเคราะห์ความถี่เชิงภูมิภาค?

พื้นที่แต่ละแห่งมักมีข้อมูลบันทึกสั้น ทำให้การประมาณค่าเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไม่บ่อยครั้งไม่น่าเชื่อถือ การรวมข้อมูลจากพื้นที่ที่มีลักษณะทางอุทกวิทยาคล้ายคลึงกัน เช่น ด้วย L-moments จะช่วยยืมข้อมูลจากทั่วทั้งภูมิภาคเพื่อสร้างการประมาณค่าควอนไทล์สุดขีดที่เสถียรยิ่งขึ้น

คำว่า 'ภาวะคงที่ได้ตายไปแล้ว' มีความหมายอย่างไรต่ออุทกวิทยา?

คำนี้แสดงถึงความกังวลว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการใช้ที่ดินทำให้ข้อมูลในอดีตไม่สามารถเป็นแนวทางที่น่าเชื่อถือสำหรับอนาคตได้อีกต่อไป ดังนั้นการวิเคราะห์ความถี่ที่สมมติว่าการแจกแจงความน่าจะเป็นไม่เปลี่ยนแปลงอาจประเมินความเสี่ยงผิดพลาด ซึ่งกระตุ้นให้เกิดแนวทางที่ไม่คงที่และอิงตามสถานการณ์