在分析小波变换不足之处的基础上,提出了水文时间序列多分辨率分析的EMD 方法,并将其应用于洮河天然年径流量时序波动特征的多时间尺度研究。结果表明其年径流 量变化存在准2～6年、准8～10年、准26年的波动周期,并分析了各分量的趋势变化。EMD 方法作为一种全新的非线性、非平稳信号处理理论,可以更精确地提取水文时序中不同波动周 期的分量,在水文水资源系统变量的分析及预测中具有广阔的应用前景。

第22卷　第12期

2008年12月干　旱　区　资　源　与　环　境JournalofAridLandResourcesandEnvironmentVol.22　No.12Dec.2008文章编号:1003-7578(2008)12-073-04

基于EMD的洮河年径流量变化多时间尺度分析

冯平,丁志宏,韩瑞光111,2

(1.天津大学建筑工程学院,天津300072;2.水利部海河水利委员会,天津)3

　　提　要:在分析小波变换不足之处的基础上,EMD

方法,。结果表明其年径流

量变化存在准2～6年、准,并分析了各分量的趋势变化。EMD、,可以更精确地提取水文时序中不同波动周

期的分量,。

关键词:E洮河;红旗水文站;年径流量;多时间尺度

中图分类号:TV213　　　　　　文献标识码:A

　　水文系统不仅是一个开放、复杂的巨系统。同时又是一个非线性复合系统,水文问题的研究需要引入新的理论和方法,从多方面揭示水文水资源系统变化的内在规律,从而为水资源的合理开发、利用和管理提供科学的指导。河川径流量的变化是涉及到水文、气象、力学和人类活动等诸多复杂因素的非线性动力学系统,具有多时间尺度特性。水文水资源系统的多时间尺度,是指在一个时间段中,水文水资源系统的变化不是以一种固定的周期在运动,而是包含着各种时间尺度(周期)的变化和局部波动,使系统变化在

[1]时域中存在着多层次的时间尺度和局部化特征。

1　EMD方法的引入

　　近年来,小波变换(WaveletTransform,WT)理论在水文水资源系统变量的多时间尺度分析中取得了

[2-4]丰富的成果。小波变换在时域和频域都具有良好的多分辨率分析能力,被誉为数学显微镜。但小波

变换实质上是一种窗口可调的傅立叶变换,其小波窗内的信号必须是平稳的,因而没有从根本上摆脱傅立叶分析的局限,小波变换虽然能够在频域和时域内同时得到较高的分辨率,但仍然存在一定的限制,这种

[5]限制通常会造成很多虚假的谐波,且小波基函数的选择对小波分解结果有显著的影响。1998年,Huang

[6]等人提出了一种全新的信号分析方法-经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)。EMD是

基于信号局部特征时间尺度,从原信号中提取本征模态函数(IntrinsicModeFunction,IMF)。该方法从本质上讲是对一个信号进行平稳化处理,将信号中不同尺度(频率)的波动或趋势逐级分解开来,产生一系列包含了原信号不同时间尺度局部特征信息的IMF分量,这使得分解得到的各IMF分量具有明显的物理背景。而最低频率的IMF分量通常代表原信号的趋势或均值。在线性框架下基于EMD得到的Hilbert谱与小波谱具有相同的表现特性,而Hilbert谱在频域和时域内的分辨率都远高于小波谱,依此得到的分析结果可以更准确地反映系统原有的物理特性。由于EMD方法比小波方法有更强的局部表现能力,所以在

[7]处理非线性、非平稳信号时,EMD方法是一种更有效的方法,而水文时间序列(如暴雨、洪水、径流等)

就是典型的非线性、非平稳时间序列。

针对小波变换的不足之处,为研究洮河年径流量的变化特征,本文运用EMD方法对洮河下游控制站

[8]-红旗站1956～2000年的还原后的天然年径流量序列进行精确的多时间尺度分解,得到一系列具有不

同时间尺度(波动周期)的波动分量,并对其波动特征和趋势进行了分析。

3收稿日期:2007-11-1。

作者简介:冯平(1964-),男,黑龙江密山人,教授,主要从事水文学及水资源问题的研究。E-mail:chngrenade@163.

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