基于MEM1谱分析的水文时间序列隐含周期特性研究

水文时间序列的隐含周期(本文将简单周期、复合周期及近似周期等统称为隐含周期)的识别、判定是一个重要而又较为困难的问题,相对成熟和有效的做法是对其进行频谱分析。建立在最大熵原理(POME)基础之上的MEM1谱分析,克服了传统谱分析方法的诸多不足,具有频谱光滑、分辨率高等独特优势。为此,以黄河花园口(秦厂)测站年径流系列、月径流系列和年最大洪峰流量序列隐含周期特性的研究为例,探讨了MEM1谱分析在水文时间序列隐含周期特性中的应用。     

水文时间序列复杂特性的研究与定量表征

应用小波分析方法及相关理论,以海河流域黑龙洞泉域47a(1956～2002年)年降雨序列和黄河利津站54a(1950～2003年)年径流序列为例.深入研究并定量描述随序列长度变化时水文时间序列主周期值和复杂特性的变化规律和特征.分析结果显示:不同方法(熵谱分析(MESA)、连续小波变换和小波方差分析)对相同长度序列的周期识别结果一致,不同长度序列的主周期值不同;此外,不同长度序列(包括原序列和消噪序列)的信息量系数(ICF)和分维数(D)也不等.研究结果表明:(1)水文序列特性复杂多变,存在整体变化特性和十分复杂的局部特性;(2)由局部特性发生变化造成序列的复杂程度随序列长度而变化,从而引起序列主周期值及复杂度(ICF和D)随序列长度变化而变化;(3)相比于序列的整体变化特性.局部特性更加复杂多变且更难以进行描述,因此也难以进行准确地模拟预测.对于引起水文序列局部特性变化的物理机制仍需进行深入探讨.     

水文序列小波分析中分解层数选择方法

小波分解层数的合理选择是水文序列小波分析结果的重要影响因素。在详细分析和定量描述不同类型噪声的能量分布规律的基础上,依据水文序列中确定成分和噪声成分的能量分布规律的差异,提出了一个小波分解层数选择方法。通过对不同类型模拟序列和不同特性实测水文序列进行分析,验证了所提方法的有效性和实用性。结果表明:序列组成、噪声含量等因素对小波分解层数的选择结果有较大影响,但噪声类型对小波分解层数选择结果影响较小;应用该方法确定小波分解层数的同时,还可以有效地识别和区分各层上是确定成分或是噪声成分,进而可为序列模拟预测提供依据。由于所提方法基于水文序列不同成分变化特性的差异建立,因此有较好的物理依据且分析结果合理可靠。     

利用连续小波变换方法对潜水位进行气压和潮汐改正

以河北省农林科学院衡水市旱作节水农业实验站(旱作所)H5观测资料为例,利用连续小波变换(CWT)对气压、理论固体潮和浅层地下水位进行了多时间尺度分析,结合小波方差分析确定了气压、固体潮和地下水位等水文时间序列的主要周期(或频率)成分和能量分布;再运用连续小波逆变换在主要周期尺度上重构了气压、固体潮和地下水位时间序列,用最小二乘法求出了水位对不同频率气压和固体潮的敏感程度(即响应系数),依此消除气压和固体潮对观测水位的影响;最后通过极差和标准差评判改正效果。结果表明:旱作所H5观测孔水位受气压影响较大,气压系数为0.799~0.881cm/HPa;对固体潮的响应较小,固体潮系数均接近于0cm/μGal;响应系数的频率效应不明显;与采用一般线性回归方法和快速Mallat离散小波变换算法相比,CWT方法所得气压系数和固体潮系数的地球物理意义更明确;3种计算方法得到的水位改正结果显示,CWT方法与Mallat算法接近,优于一般线性回归方法。     

水文时间序列周期识别的新思路与两种新方法

针对水文序列周期识别的困难,提出首先对原序列处理,再识别周期的新思路,同时提出两种新方法:一种是模拟延长序列法,即通过建模延长原序列,再应用最大熵谱分析法(MESA)对延长序列识别周期;另一种方法是构建主频序列法,应用小波重构法重构原序列主频部分,然后应用MESA对重构序列进行周期识别。结合实例,运用多种方法对同一序列进行周期识别。分析结果表明:由于受序列长度偏短、偏态性、复杂随机成分等因素的影响,传统单一处理方法(周期图法、FFT、MESA、小波分析)周期识别效果并不理想,而使用两种新方法可以有效地减小或消除上述因素的影响,周期识别效果有明显改善。     

水文时间系列周期分析方法探讨

以分析广东省降水周期变化规律为例，探讨了最大熵谱方法在提取水文时间系列的主次周期上以及小波变换方法在分析水文时间系列的多时间尺度演变规律上的应用。由计算结果分析得到广东省降水过程主要存在的周期特性和旱涝变化趋势，为广东省降水趋势预测提供了重要信息。     

地质时间序列的频谱分析方法及应用

介绍了地质时间序列随机模型及研究时间序列相关关系的频谱分析方法,给出了显著周期检验的Ｆｉｓｈｅｒ准则。研究结果表明,频谱分析能够很好地确定地质时间序列的隐含周期及相关关系,从而揭示地质时间序列的内部特征。     

基于样本熵理论的自适应小波消噪分析方法

小波消噪方法的核心问题是阈值的选择及确定.依据样本熵的特性,将样本熵与小波分析方法耦合起来,提出了一种自适应确定阈值的小波消噪分析方法.该方法计算了不同阈值对应噪声序列的样本熵值,得到阈值与样本熵值之间的关系曲线,当样本熵值达到最大时,此时阈值为所求阈值.通过算例加以验证分析,结果表明,自适应小波消噪分析方法能较好地实现水文序列的信噪分离,其消噪结果符合序列本身的特性及评价指标的要求,这为合理确定阈值提供了一种新的途径和方法.     

小波变换在河西地区水文和气候周期变化分析中的应用

小波时—频分析由于其局部优化性质而优于傅立叶分析。应用 Meyer小波 ,对甘肃河西地区近 50 a来年径流量、年降水量和年平均气温做周期分析 ,发现河西地区水文气象序列的变化周期基本在 35a、2 2 a、1 1 a、5～ 6a和 2～ 3a左右的时间尺度上浮动。而这些基本周期正是太阳黑子活动周期或海—气相互作用的周期 ,说明河西地区水文、气象序列的周期变化受天体运动变化的影响。天体运动直接影响降水和气温的周期变化 ,进而在一定的下垫面条件下 ,影响径流的周期变化。     

基于静态小波变换的趋势面构造

在勘查数据处理异常分离方面,针对多项式最小二乘拟合构造的趋势面存在拟合度无法调整以及会出现失真情况的不足,提出了基于静态小波变换的趋势面构造方法。经过小波变换得到的近似系数表征信号的趋势,不同尺度的近似系数代表不同尺度下的趋势,静态小波变换后的近似系数和细节系数没有进行下采样,近似系数和细节系数仍然和原信号的长度相同。这种方法能根据需要构造出不同拟合度的趋势面且失真度很低。     

小波分析在水文学中的应用研究及展望

扼要介绍了20世纪80年代初发展起来的,被誉为数学“显微镜”的信号分析新方法——小波分析。在此基础上,综述了小波分析在水文水资源系统中的应用研究现状。展望了小波分析在该领域的未来研究趋势和发展方向。将小波分析引入水科学,不但拓宽了应用范围,而且推动了小波理论本身的发展。     

基于三参数小波变换的地震瞬时属性计算方法及应用

为提高地震瞬时属性的计算精度,针对薄层反射地震信号含有快速变化的振幅和频率分量的特点,研究了新的分析小波即三参数小波,基于三参数小波变换,提出了在相空间计算地震瞬时属性的方法。三参数小波有三个可调参数,对信号做小波分析时有很高的自由度,能够很好地匹配地震子波或给定的有效信号,三参数小波与BMSW小波或其他小波相比,具有更好的时域局部化性质。实际地震资料的应用效果表明,三参数小波变换地震瞬时属性比Hilbert变换瞬时属性有更高的信噪比和分辨率,基于三参数小波变换的地震瞬时属性分析方法是识别薄层砂体的有效手段。     

水文时间序列的子波分析法

在水文时间序列分析中引入了子波变换法,通过对水文时间序列的离散子波变换(DWT),给出了计算水文过程变化特征的信息量系数(ICF)的方法,比较了表征水文过程变化特征的三种指标,即不均匀系数,信息量系数与分维。结果表明:三种指标分别从不同角度表征了水文过程的变化特征,实际应用中可以依据需要选用某种指标进行比较研究。     

小波变换在饶阳凹陷层序地层格架建立中的应用

小波变换提供了一种研究层序地层格架的新方法,它将测井信号从一维深度域转换到二维深度—尺度域,从多尺度识别不同级次的地层旋回界面。根据小波变换的原理,确定了测井数据小波变换在层序地层划分中的地质意义,建立了四种小波变换中的地层旋回模型。在饶阳凹陷的实际应用中,选取自然伽马曲线进行小波变换,应用时频色谱图分析和快速傅里叶变换多种方法选取尺度因子。通过对时频色谱图和不同尺度下小波系数曲线的综合分析,对饶阳凹陷古近系G104井层序地层进行了划分,并以2 198.625m位置为突变界面,划分出两个较大尺度旋回,以2142.375m、2 163.875m、2 198.625m、2 238.625m位置为界面,划分出5个较小尺度旋回。实际结果应用表明,小波多尺度变换划分层序地层的结果和传统方法划分基本一致。     

基于多模式分离的S变换与小波变换提取面波频散曲线对比分析

为了对比分析小波变换和S变换在计算瑞雷波频散曲线时的精度,通过设计两层介质和六层介质模型,采用交错网格高阶有限差分方法对两个模型进行正演模拟,利用F-K法分离出时间—空间域不同模态的瑞雷波记录,再采用小波变换和S变换计算出不同模态的瑞雷波频散曲线,分别与理论值进行对比分析,最后利用两种方法对实际资料进行处理。结果表明:利用小波变换计算得到的频散曲线在低频段误差相对较大,S变换计算得到的频散曲线精度总体高于小波变换。     

井约束下的小波变换提高地震资料分辨率

小波变换同时有在时间域和频率域对信号进行局部化的特点，使其在地震资料处理中越来越发挥较大的作用。小波变换增频的幅度与地震资料有效频带的宽度有直接联系，即地震资料的有效频带越宽，剖面主频增加的幅度也就越大。通过理论和实际资料的应用表明，在井声波曲线的约束下，利用小波变换提高地震资料分辨率的幅度可以得到合理控制，大大增加了资料的可信度。     

改进阈值法在二代小波变换去噪中的应用

地震信号去噪能有效提高信号的信噪比和分辨率。二代小波变换可以在不同尺度上对含噪信号进行小波分解和多分辨率分析,实现窗口宽度自适应调整的局部化分析。但小波变换阈值法在去噪过程中会在信号的不连续邻域会产生伪吉布斯效应,而平移不变量阈值去噪方法通过平移-去噪-平均的思想可以很好的解决该问题。因此本文在已有的二代小波变换阈值去噪的基础上将平移不变量这一改进方法应用于二代小波变换中,实现了对地震信号更加快速有效的去噪处理,并在模拟数据试算和实际数据试算中取得了良好的去噪效果。     

利用位场连续复小波变换识辨磁场源(下)

基于齐次位场源的位场柯西小波变换，等效于位场向上延拓和求导两种运算相结合原理，建立了不同的理论模型，并编写了所有程序，通过合成资料的大量计算，对所有结果进行了验证与讨论。利用小波变换系数模沿极值轴线的变化特征，可以同时反演位场源的几何形状、埋深、倾角。实用于重磁资料自动化处理与解释，为磁场反演提供了一条新的途径。     

利用B样条小波变换提高地震信号的分辨率

介绍了小波变换的基本原理；利用二阶Ｂ样条函数为小波基，构造了尺度函数和小波函数。通过实际资料证明，小波变换综合考虑了地震信号的时域和频域特征，可获得不同频带的地震剖面，提高地震资料的分辨率。     

阿克苏河源流区径流量与降水量丰枯变化和相关性研究

利用新疆塔里木河流域阿克苏河源流区出山口沙里桂兰克和协合拉两水文站1957-2008年近50a的径流和降水数据, 借助Z指数法、参数T检验和非参数检验和小波变换等, 分析了阿克苏河两水文站降水量和径流量的变化趋势, 以及二者多时间尺度相关关系.结果表明:近50a来, 沙里桂兰克、协合拉径流量和降水量均呈增加趋势, 两水文站径流量在1993年发生了显著的增多突变, 其中, 降水量突变点沙里桂兰克在1985年, 协合拉在1986年.沙里桂兰克和协合拉降水量和径流量丰枯指数由突变前的"偏枯"和"正常"等级为主转变为突变后的"正常"和"偏涝"等级占优势.沙里桂兰克和协合拉径流量变化分别存在7a和6a的主周期, 降水量变化分别存在7a和4a的主周期.沙里桂兰克径流量和降水量在整个时间尺度上以正相关为主, 协合拉则以负相关为主, 在大于20a的时间尺度上两水文站径流量和降水量均呈不显著的正相关关系.