基于经验模态分解的hht变换解析洪水频域特性-华南师范大学学报.pdfVIP

华南师范大学学报 （自然科学版） ２０１２年８月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＣＨＩＮＡＮＯＲＭＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 第４４卷第３期 　　　　　　　　　　　　 Ａｕｇ．２０１２ 　　　　　　　　　　　 （ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥＥＤＩＴＩＯＮ） 　Ｖｏｌ．４４　Ｎｏ．３ 文章编号：１０００－５４６３（２０１２）０３－０１２８－０４ 基于经验模态分解的ＨＨＴ变换解析洪水频域特性 １ ２ ３，４ 汪丽娜 ，李　艳 ，陈晓宏 （１．华南师范大学地理科学学院，广东广州５１０６３１；２．广东商学院资源与环境学院，广东广州５１０３２０； ３．中山大学水资源与环境研究中心，广东广州５１０２７５；４．华南地区水循环与水安全广东省教育厅重点实验室，广东广州５１０２７５） 摘要：依据经验模态分解的希尔伯特黄变换方法，解析洪水过程的频域特性．以武江流域为研究对象，选取６场洪水 过程进行分析．结果表明６场洪水在整个洪水过程中，洪水时间序列的能量主要集中在０１Ｈｚ以内．洪水时间序列 具有多能量组分的特点．ＥＭＤ分解出的分量具有较清晰的物理意义和自适应性；由于采用三次样条插值来获得信号 的瞬时平均值，导致Ｈｉｌｂｅｒｔ－Ｈｕａｎｇ变换得到的结果会出现端点飞翼现象． 关键词：经验模态分解；希尔伯特黄变换；洪水；频域特性 中图分类号：Ｋ９０３　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．６０５４／ｊ．ｊｓｃｎｕｎ．２０１２．０６．０２７ 　　洪水时间序列受天气系统的影响，而天气系统 列的频域特性，本研究采用ＨＨＴ的时频分析法对洪 具有局地特征，存在多层次时间结构，因此洪水时间 水时间序列进行分析，将洪水时间序列在各时间段 序列是多时间尺度系统．加上人类活动的影响，如水 的不同分量的能量值显示出来，解析洪水时间序列 库、大坝的修建、城市化的作用，河道下垫面和流域 的时域和频域特性． 植被的人为改造等，使得洪水时间出现跳跃性的成 分，加剧了洪水时间序列的非平稳性． １　研究方法 ＨＨＴ方法是 １９９６年由美籍华人 ＨＵＡＮＧ等［１］ 提出的信号时频分析的一种全新方法，采用ＨＨＴ变 ＥＭＤ分解通过不同的尺度把信号分解成一系 换，主要分为经验模态分解（ＥＭＤ分解）和 Ｈｉｌｂｅｒｔ 列固有模态函数，由信号的自适应基分解出信号的 变换．其中ＥＭＤ分解基于信号的局部特征时间尺 ＩＭＦ．每个ＩＭＦ只包含单模态的振动，即只有单组分 度，可以将任意信号分解为少量 ＩＭＦ分量的组合， 的波组成．这种 ＩＭＦ非常适合 Ｈｉｌｂｅｒｔ变换，利用它 而且ＩＭＦ分量能对瞬时频率给出有意义的物理解 求出有明确物理意义的瞬时频率．但是，现实中的数 ［２］ 释 ．之后，对每个分量作希尔伯特变换，刻画出信 据是复杂的，必须要通过分解形成ＩＭＦ，其分解过程 号的瞬时频率，即保证信号经希尔波特变换后具有 可以参见文献［１０］． 清晰的瞬时振幅和瞬时频率意义．该方法非常适于 进行 ＥＭＤ分解的主要目的是进行 Ｈｉｌｂｅｒｔ变 ［３］ 对非平稳、非线性信号进行分析 ．地震工程、海洋 换，得到Ｈｉｌｂｅｒｔ谱．基于ＩＭＦ分量的Ｈｉｌｂｅｒｔ谱是一 工程、医学、语音、图像分析和处理、气象、水文等学 个三维（时间－频率－局部振幅）谱形，通常可用三 ［４－９］ 科 也越来越多地采用了ＨＨＴ的方法进行研究． 维图形或二维图像表示．Ｈｉｌｂｅｒｔ－Ｈｕａｎｇ变换是一 洪水作为复杂的自然现象，其时间序列具有复杂性 种新的具有自适应特性的时频分析方法，对时变信 和多尺度性．