基本信息
- 项目名称：
- 改进的符号时间序列分析方法及应用--以郑州地区旱涝为例
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文根据近五百年郑州市降水数据集，选用马尔可夫概型方法分析和研究旱涝发生的演变规律，后又提出了一种改进的符号时间序列分析方法,该方法采用1、2、3、4、5五个符号对事件进行分析，克服了传统方法中仅用0、1两个符号的缺陷，提高了符号对于信号变化的灵敏度。结果表明: 随着符号串长度的增加，旱涝演变越来越具有规律性。后用两种统计量对上述结论进行了验证。
- 详细介绍：
- 无论是从历史上看还是近年来，随着人类发展对自然界的影响越来越大，自然灾害特别是极端的旱涝发生的次数越来越频繁，直接影响到国民经济的持续发展和人民生命财产的安全。因此,掌握旱涝变化的特征和规律，减少因自然灾害所造成的损失，预测未来旱涝变化的趋势成为一个十分重要的课题。 针对上述问题，本文做了以下工作： 第一，建立基于符号序列的马尔可夫概型，对马尔可夫过程各状态之间的演变进行了分析。根据搜集的近五百年郑州市降水数据集（数据已符号化，分为五个状态大涝、小涝、正常、小早、大旱、并用1、2、3、4、5五个符号代替），首先计算出符号序列的转移矩阵，然后将转移矩阵经过 步变换，得到滞后 步后的状态向量，从而对状态之间的转移及其转移的概率进行分析，总结出随机过程的概率规律，如明年的“旱”、“涝”天气状况与今年是否有关，连续三年干旱的可能性等，并从中挖掘出旱涝变化规律。 第二，提出了一种基于改进的符号序列分析方法。首先建立符号树，计算出每层符号出现的个数。其次，对符号序列进行进行十进制编码，获得符号序列的概率并画出散点图。最后，分析每一层符号序列的概率，计算修正熵H和时间不可逆转指标这两种统计量指标，进而达到揭示旱涝出现特性的目的。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 随着人类发展对自然界的影响越来越大，自然灾害特别是极端的旱涝发生的次数越来越频繁，直接影响到国民经济的持续发展。因此,掌握旱涝变化的特征和规律，减少因自然灾害所造成的损失，成为一个十分重要的课题。本文根据近五百年郑州市降水数据集，选用马尔可夫概型方法分析和研究旱涝发生的演变规律，后又提出了一种改进的符号时间序列分析方法,该方法采用1、2、3、4、5五个符号对事件进行分析，后用两种统计进行了验证。
科学性、先进性及独特之处
- 一贯的符号时间序列通常采用分割区间法及差值法划分原始数据，得到的符号序列只含有两种符号，对需用多种符号来代表原时间序列没有研究。为此，在应用符号时间序列方法时，我们把时间序列化成含有五种符号序列，利用时间不可逆转性, 及修正的香农嫡H，对符号化的序列进行特征量提取，且将此方法应用于对五百年旱涝等级数据集表征。
应用价值和现实意义
- 利用马尔可夫概型和符号时间序列方法，对近五百年郑州市降水数据集进行分析，从中挖掘出较为准确的旱涝时空变化规律为准确及时的中长期水文预报提供了理论依据，对合理安排工农业生产有很好的指导作用。符号化时间序列分析方法在许多方面存在很大的优点：计算简单快捷、有效抑制噪声干扰, 降低仪器抗干扰的要求等。随着数据采集速度的加快及动力学系统的日趋复杂, 符号化方法将会是一个重要的信息分析工具。
学术论文摘要
- 本文根据近五百年郑州市降水数据集（此数据集把降水时间序列数据符号化，分为五个状态大涝、小涝、正常、小旱、大旱、并用1、2、3、4、5五个符号代替）选用马尔可夫概型方法分析和研究旱涝发生的演变规律和未来出现的可能性大小，并验证了状态转移概率矩阵 步变换后，转移矩阵达到了平稳（不随时间的改变而变）。后又提出了一种改进的符号时间序列分析方法,该方法采用1、2、3、4、5五个符号对事件进行分析，克服了传统方法中仅用0、1两个符号的缺陷，提高了符号对于信号变化的灵敏度。郑州地区旱涝的特征分析结果表明: 随着符号串长度的增加（即周期延长），旱涝演变越来越具有规律性。后用两种统计量对上述结论进行了验证。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]中国五百年旱涝等级数据集 中国气象科学研究院 [2]向馗, 蒋静坪. 复杂系统的异常检测方法[J].机床与液压,2008,36(1):156-160. X IANG K, JIANG J P.Anomaly detection of complex system[J].Machine Tool&Hydraulics,2008,36(1):156-160. [3]改进的符号时间序列分析方法及其在电机故障诊断中的应用 胡为,胡静涛, 仪器仪表学报,2009,4:760-766 [4]我国旱涝空间型的马尔科夫概型分析 陈育峰,自然灾害学报，1995,5:66-72 [5] 非线性时间序列的符号化分析方法研究 金宁德、李伟波，动力学与控制学报。2006,3:54-59 [6] Daw cs,Finney.CEA,Tray ER.Symbolic statistics:A new tool for understanding mutiphase flow phenomenona.ASME International congress&Exposition. Anaheim.california.USA. Novermber,1998:15-20
同类课题研究水平概述
- 国内旱涝研究现状 时间上对旱涝变化的研究主要集中在趋势特征，周期特点，变异点分布特点，旱涝游程特征，大旱大涝频数特征及风险性预测等方面。在空间研究方面主要基于地统计和空间自回归分析旱涝空间演变规律。 对于旱涝趋势分析，周期特点的研究已经很多，研究主要集中在趋势系数，谱分析，小波分析等方法的研究和应用上。引进计算机游程理论，把降水分为正负两个游程研究阶段性规律。对于水文旱涝变异点的研究旱涝变化特征是一个多方面复杂系统，那么，对于旱涝灾害的研究应从时间空间等多方面结合具体研究。近年来的研究较多，其中，周后福依据安徽省近554年的旱涝等级资料，利用偏度系数、峰度系数、频次、累积距平等计算公式和方法进行旱涝变化规律的分析，结果表明：安徽省旱涝等级序列具有不对称分布，即存在涝年明显多于旱的非正态分布特征，呈现干燥期、湿润期的阶段性变化特征，以旱为主和以涝为主的现象间隔出现． 国外旱涝研究现状 国外专家学者对旱涝的研究也很多，主要集中在大气环流方面和对旱涝演变分析方法的改进等方面。 Sen.Z分析了连续干旱时间分布规律并且运用对数马尔可夫过程分析在一段时间内水资源短缺的可能性，但对数马尔可夫链适用范围有限，对数据要求较高，Kendall，Dracup提出旱涝事件是一个可更新的过程，并用交替更新理论来研究旱涝变化规律，取得很好效果。SuMingFeng根据中国160个站点，1951～2000年的月降水相关资料，通过EOF分解，分析厄尔尼诺现象与旱涝分布之间的关系。得出在厄尔尼诺暖时期中国北部为干旱期，但长江以南却比往年湿润。旱涝干湿演变规律的空间变化的研究也很多，主要方法为泰森多边形或基于GIS对旱涝空间变化进行聚类分析比较。Jim D. Karagatzides ,Harry R.Manson等运用瑞利指数 研究降水气温的空间相关，并用二元回归分析相邻区域干湿不同的显著性。
