基于双变量同化和交叉小波变换的冬小麦单产估测

为进一步提高陕西省关中平原冬小麦产量估测的精度,利用集合卡尔曼滤波算法(EnKF)将CERES Wheat模型模拟的0~20 cm土壤含水率和叶面积指数(LAI)与遥感观测的条件植被温度指数(VTCI)和LAI进行同化,同时利用交叉小波变换分析冬小麦各生育时期同化VTCI和LAI与产量之间的共振周期,通过计算小波互相关度获得各生育时期同化VTCI和LAI的权重,进而构建基于加权VTCI和LAI的冬小麦单产估测模型。结果表明,在样点尺度,经过EnKF同化的VTCI和LAI能够综合表达模型模拟值和遥感观测值的变化趋势;在区域尺度,无论是否同化,经过交叉小波变换的各生育时期VTCI和LAI分别与产量之间存在特定的共振周期,同时发现,同化有助于对关键生育时期的特征提取;相较于未同化构建的估产模型,经过同化构建的估产模型的归一化均方根误差为13.23%,决定系数为0.50,平均相对误差为10.58%,精度略有提升,且估测产量的分布与统计产量的分布更为一致,因此认为将同化与交叉小波相结合构建的双变量单产估测模型精度更高,可为进一步实现高精度的区域产量估测提供研究基础。

基于交叉小波变换与改进变分模态分解的联合去噪方法

轴承早期的故障信号容易被噪声所淹没,导致其故障特征难以被提取,为此,提出了一种基于交叉小波变换(XWT)与改进变分模态分解(IVMD)联合去噪的信号处理方法。首先,对双通道的原始信号进行了XWT处理,得到了小波相干谱,通过包络谱曲线确定了最佳模态数K;将传统VMD优化为IVMD,利用IVMD将两个通道中峭度值较大的信号分解成为多个固有模态分量(IMFs),再对每个IMF与峭度值较大的信号进行XWT处理;然后,将得到的小波相干谱图与双通道原始信号的小波相干谱图进行了比较,从原始信号中去除了识别出的噪声分量,实现了降噪和故障特征增强的目的;最后,利用K邻近(KNN)算法进行了滚动轴承故障分类,其故障识别率达到了97.51%,与IVMD、VMD-XWT方法相比,该方法故障识别率分别提高了10.83%、4.62%。研究结果表明:该方法可以明显降低噪声干扰,能更好地提取轴承早期的故障信息。

基于CEEMDAN-交叉小波变换的爆破延时识别

为更加准确识别延时爆破实际的延时时间,引入一种基于CEEMDAN-交叉小波变换的识别方法。首先,通过CEEMDAN方法对爆破信号进行分解,并基于交叉小波变换识别选择振动信号优势分量;然后,将优势分量进行重构,利用希尔伯特变换求取信号幅值;最后,通过幅值包络图对延时爆破实际延时进行识别。计算结果表明,引入的方法有效地消除了爆破振动信号中的干扰项,可以更加准确的识别延时爆破实际时间,提高准确度。

交叉小波变换在水轮机非平稳信号分析中的应用

水压脉动是影响水力发电机组振动的主要因素之一。分析水压脉动与机组振动之间的相关性对于研究水压脉动对机组振动的影响机制具有重要意义。该文应用交叉小波变换在时频空间中分析水轮机导轴承振动和尾水管出口、蜗壳进口、顶盖下等3个典型水压脉动之间的相关性,提取机组振动与水压脉动之间的相关性随时间和频率变化的特征。分析结果表明:水压脉动以低频为主,不同测点的水压脉动会引起机组在不同时刻产生不同频率的低频振动,其时变特征与机组运行条件密切相关。与传统的互相关分析对比,交叉小波变换更能全面精细地刻画出2个信号之间相互联系的结构特征。

交叉小波变换在河南降水时频分析中的应用

在利用 Marr小波对时间序列进行连续小波变换的基础上 ,采用交叉小波变换方法 ,分析了河南省近 50 a降水与 ENSO之间的关系。结果表明 ,河南降水距平(ΔR)、海面温度距平 (ΔTSS)以及南方涛动指数距平 (ΔISO)序列中都存在着不同时间尺度的周期分量 ,并且各周期分量的强度是不同的。同时研究了 ΔR与 ΔTSS、ΔISO之间 2～ 4a和 5～ 7a周期尺度的相关振荡及各尺度上的时频特征。

交叉小波变换在区域气候分析中的应用

将交叉谱与小波变换分析方法相结合,与传统的交叉谱方法相比,交叉小波变换方法用于区域气候变化与大气环流系统之间耦合振荡行为的相关分析更具优越性,不仅可以弥补经典交叉谱分析方法存在的缺陷,而且能够发挥小波变换在时频两域都具有表征气候信号局部化特征的作用;该方法具有较强的耦合信号分辨能力,便于描述耦合信号在时频域中分布状况的优点。采用交叉小波变换分析北极涛动指数(AOI)距平与河南省月平均降水量距平、气温距平序列之间的联合统计特征及其在时频域中的相关关系,根据小波互相关系数、交叉小波凝聚谱和小波位相谱分析北极涛动对河南省气候变化的可能影响。应用结果表明:河南省降水量和气温变化与AOI之间存在着多时间尺度的显著相关振荡,年代际尺度周期上的互相关系数明显大于年际尺度周期,相关程度随耦合振荡频率的增大而减小,相关显著性取决于两者的时频域联合统计特征,时域中小波互相关系数、小波凝聚谱和小波位相谱的分布具有明显的局部化特征;说明北极涛动年际和年代际异常对河南省气候变化具有显著影响。

基于交叉小波变换与Teager算子的柴油机燃烧特征增强方法

为更有效地对柴油机燃烧进行监测和诊断,提出一种基于交叉小波变换与Teager能量算子的柴油机燃烧特征增强方法。首先利用交叉小波变换对柴油机缸盖振动信号进行时频相干分析,以衰减甚至消除随机噪声干扰,然后进一步采用Teager算子对于柴油机燃烧时频特征进行增强。仿真和实际信号分析结果表明,该方法有助于柴油机燃烧特征的提取和失火故障的诊断。

基于同步压缩-交叉小波变换算法的齿轮故障诊断研究

齿轮超负荷使用或者在不良环境下使用时,容易造成齿轮失效;齿轮的失效形式主要有断齿故障、齿面点蚀、齿轮磨损等,此外齿轮制造过程中也存在固有误差,传统的齿轮故障诊断通常使用振动加速度传感器或者SCADA数据进行处理,但振动加速度传感器与SCADA通常价格昂贵,且会有大量的数据冗余,不便于后期信号处理;本设计拟采用一种同步压缩-交叉小波变换算法,在齿轮故障机理分析的基础上,设计了故障诊断实验装置,对正常齿轮、断齿和磨损情况下的故障特性进行提取,从而对故障进行准确诊断,经实验验证,该方法在齿轮断齿检测上准确率达100%,对齿轮磨损检测达到98%以上,对齿面点蚀诊断准确率较低,本研究中暂未涉及,后续研究主要集中在对算法改进,提高对齿面点蚀的准确判断。

基于变分模态分解和交叉小波变换的柴油机失火故障诊断

针对强噪声干扰下柴油机失火故障难以诊断的问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)与交叉小波变换(cross wavelet transform,XWT)的柴油机失火故障诊断方法。该方法首先通过VMD将缸盖振动信号进行分解、自适应消噪及信号重构,再利用XWT对任意两个连续工作循环信号进行时频相关分析,进一步消除振动信号中的干扰噪声以提取柴油机燃烧特征,最后通过计算时频空间各缸能量占比进行柴油机失火故障诊断。通过对仿真信号分析及柴油机失火故障诊断,结果表明:该方法可以消除强噪声干扰,提取柴油机燃烧周期瞬态振动冲击特征,有效地识别柴油机失火故障。

基于交叉小波变换的水文多尺度相关分析

针对传统水文相关分析的局限性,将交叉小波变换应用于水文时间序列的相关分析。采用交叉小波功率谱和凝聚谱分析伊犁河雅马渡水文站实测年径流量与4个影响因子之间的联合统计特征及其在时频域中的相关关系,揭示其在不同时间和频率尺度上的相关程度和细部特征。研究结果表明,与传统的相关系数只能从总体上考察两个时间序列的相关关系相比,交叉小波变换能够从时域和频率两方面同时考察两者的相关振荡随频率和时间后延的变化细节、局部特征和位相差异,在水文相关分析方面具有较好的应用效果。

基于小波变换方法的济南市区泉水影响因素研究

济南市区泉水的喷涌主要受大气降水和地下水开采等因素的影响,为查明降水量和地下水开采对济南市区泉水的影响,选取济南市区、济南西郊和济南东郊的水源地十年开采量数据,以及同期市区泉水位动态观测数据和降水量数据,采用交叉小波变换、小波相干谱和多元小波相干谱的方法进行分析。结果表明:①市区泉水位与降水量、地下水开采量均存在约1 a的频域周期,市区泉水位滞后于降水量133.22 d,市区泉水位与济南西郊开采量和济南东郊开采量的响应时滞分别为125.43 d和83.85 d,济南市区泉水与济南西郊地下水、济南东郊地下水存在水力联系;②济南市区泉水位与降水量的平均小波相干值(AWC)为0.58,市区泉水位与济南西郊开采、市区开采和济南东郊开采的AWC分别为0.47、0.40和0.32,PASC分别为13.90%、16.81%和10.09%,在研究期开采条件下,降水量和岩溶地下水开采量对市区泉水位的影响明显,市区开采对市区泉水位的影响最大,济南东郊开采对市区泉水位的影响最小;③在两种影响因素的作用下,降水量和济南西郊开采量、降水量和市区开采量两种组合可以作为市区泉水位变化的最大影响因素;在三种影响因素的作用下,降水量和济南西郊开采量、市区开采量组合可以成为市区泉水位变化的最大影响因素。

基于交叉小波的变压器振动信号幅频特征量提取方法

为了分析变压器的振动特性和诊断变压器故障,结合变压器不同测试位置的振动信号,通过交叉小波变换提取变压器本体振动数据的主成分,以数据主成分的幅值和频率构成变压器振动信号的幅频特征量。并搭建了振动信号测试平台,采集不同条件下的变压器振动信号,对比分析了变压器空载、短路和带负载运行时的振动信号幅频特征量之间的关系,最后应用幅频特征量诊断变压器绕组松动和铁芯磁路故障。结果表明:幅频特征量能反映变压器振动信号的幅值和频率特征;空载、短路和带负载运行时振动信号的特征频率均为100 Hz,特征幅值存在差异;绕组松动故障主要影响振动信号特征频率,绕组松动后特征频率变大;铁芯磁路故障会导致振动信号的特征频率和幅值均增大。

基于小波变换的径流周期与ENSO事件响应关系研究

在气候变化和人类扰动下,河川径流过程变化日益复杂,探索径流变化对气候因子（ENSO事件）的响应规律,掌握区域水资源发展动态,对科学制定区域水资源规划和管理策略及满足人类需求与生态系统的水平衡要求极为重要。通过交叉小波变换法与凝聚谱方法,分析陕西省渭河咸阳站、无定河丁家沟站、汉江安康站河川径流规律与ENSO事件的相关性,从物理驱动因素层面探讨径流周期变化的潜在机理。分析结果显示：20世纪70年代以前,各站径流与ENSO指数（MEI指数）在小尺度2~4 a周期上均存在着显著的负相关;从20世纪70年代开始,径流与ENSO指数的相关性变得复杂,这与研究区内人类活动影响增强并成为径流驱动的主因有关。研究表明：交叉小波变换法与凝聚谱方法适用于水文和气象要素间响应关系的分析,可深层次地揭示两者之间的相关性和响应时滞方面的联系,可反映气候因子对径流过程影响的时域变化特征。案例结果表明：陕西省河川径流变化在20世纪70年代以前主要受气候因子驱动,响应较为紧密;20世纪70年代以后,人类活动影响逐渐超越气候因子影响,径流变化表现为人类与气候双驱动模式,且以人类活动为主。

基于交叉小波分析方法的西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性研究

西太平洋副热带高压的年际变率受热带多个关键海区的海-气相互作用过程调控,但彼此间的因果关联和影响机制尚不清楚。为揭示西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常之间的内在关联特性,定义了三个关键海区以及赤道纬向西风区的特征指数,并分别与西太平洋副热带高压强度、脊线指数进行了交叉小波和相干小波分析。研究发现:西太平洋副热带高压指数存在显著的2~3年和准5年的周期振荡,20世纪八九十年代后,由于暖池区海温及赤道纬向西风区的Hadley环流强迫加强,致使副热带高压特征指数的2~3年周期振荡加强;从位相关系看,先是西太平洋副热带高压减弱南撤导致纬向西风加强,其后影响赤道东太平洋海温升高,同时暖水向东传,使赤道中太平洋以及暖池区海温逐渐升高,在Hadley环流作用下使副高加强北抬。基于上述西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常变化相关性诊断研究,进一步探讨了造成这种相关性的影响机理和因果关联,为揭示西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性做探索研究。

基于小波变换的长江中下游地区极端降水与大气环流响应关系研究

在气候变暖背景下,探讨极端降水对大气环流的响应规律,对区域洪涝灾害防护以及科学管理极为重要。基于长江中下游地区435个气象站点1980-2018年的日降水数据,以连续小波变换为基础,采用交叉小波变换与小波相干方法分析了长江中下游地区近40年来极端降水指数以及大气环流指数的振荡周期特征及其之间在时频域中的共同特征和相关关系。结果表明:极端降水指数均存在多尺度周期性震荡,这些指标的周期性震荡趋向于高时频尺度,这意味着从1980年到2018年,极端降水各个指标“增加-减少”变化更加频繁;大气环流指数在20世纪80年代中期至90年代中期均出现显著周期;大气环流指数与极端降水之间的相互影响主要体现在年际尺度上,不同时域中存在明显差异,但是EASM与PDO在高能量谱区对长江中下游地区极端降水的影响较弱,IOD在低能量谱区对极端降水指数影响较弱。

集合经验模态分解和交叉小波在赣江流量与太阳黑子活动关系中的应用

为解决传统相关分析方法难以揭示出非线性、非平稳水文序列与外部强迫因子之间在不同时间尺度、不同频域下的相关关系,提出一种结合EEMD(集合经验模态分解)和CWT(交叉小波变换)的综合分析方法,并将其应用于赣江长时间流量序列与同期太阳黑子数序列的多尺度相关分析之中。研究结果表明:1950-2015年赣江流量序列EEMD分解的IMF1分量的波动振幅最大,频率最高,代表了原始序列中的主要变化因素,是水文序列非线性和非平稳特征的体现。同期太阳黑子数序列的EEMD分解结果表明:1950-1970年为太阳黑子数上升阶段,1970-2015年为下降阶段。CWT分析表明,在11a周期尺度上赣江流量与太阳黑子数之间由负相关逐渐顺时针转为相差1/4个周期,再转为正相关。其中1950-2000年,二者的相关系数在0.6以上,2001-2015年相关系数在0.4以上。结果表明EEMD-CWT综合分析可以有效利用EEMD方法将原始信号进行分解,以得到具有平稳性的IMF分量,并以此为基础通过CWT方法得到二者在时域和频域上的相关关系变化过程。该方法可以为探究相关水文气象序列与外部强迫因素之间的多尺度相关关系提供新的思路和技术手段。

自适应时频窗行波选线方法研究

数字化行波选线方法与行波分析所选的时间窗宽度、频带范围密切相关,时频窗的选择在一定程度上决定了行波选线的性能。提出一种利用自适应时频窗的高可靠性行波选线新方法。该方法利用线路零模电流行波两两之间的交叉小波变换(cross wavelet transform,XWT),自适应求取出零模电流行波相关性较强的时频窗,作为行波选线的时频窗,同时计算出零模电流行波在该时频窗内的相位差。最后通过自适应时频窗内的零模电流二进小波变换模极大值进行选线,确定故障线路。所提方法充分结合了复小波变换在频带分析方面的优势和实小波变换在突变检测方面的优势。理论分析与仿真结果表明,所提方法选线可靠性高,交叉小波变换应用合理,且不受中性点接地方式、线路结构等因素的影响。

1960—2020年黄河、长江、珠江入海水沙通量演变特征

[目的]基于动态更新数据综合对比中国三大河流入海水沙通量的特征,为流域开发和管理提供依据。[方法]收集黄河(利津站)、长江(大通站)、珠江(高要站、石角站、博罗站)5个水文控制站1960—2020年实测数据,采用滑动平均法、Pettitt检验法、双累积曲线法以及小波变换分别对水沙通量的趋势性、变异性、周期性特征进行分析,采用交叉小波变换和小波相干谱探究径流量和泥沙量的共振周期与相干性。[结果]近60a黄河、长江、珠江入海水沙通量均发生了明显变化,黄河径流量和泥沙量在1986年突变减少,泥沙量在1997年二次突变减少;长江和珠江入海径流量未发生变异,泥沙量分别于1992,1999年突变减少。这三大河流入海水沙具有显著的年际和年代际周期特征,年代际共同演化周期分别集中于1980年以前、1990年以前和2000年以前。年际共同演化周期为5a,“丰—枯”转换频繁。交叉小波分析结果显示,黄河、长江和珠江的入海径流量和泥沙量在1965—1975年具有显著的1~3a的共振周期,以正相位演变为主。[结论]中国三大河流入海水沙具有显著的趋势性、变异性和周期性特征,可以据此进行的流域开发和管理更有效。

石羊河上游径流量与气象要素关联性分析

气象因子是驱动径流演变的重要因素,运用交叉小波方法分析了石羊河上游4条典型支流的径流量与气象要素之间的共振周期规律,揭示了不同时域、频域上相关性的程度变化和异常情况,对现有相关性研究进行了补充。结果表明:西大河水库站与大靖峡水库站径流量总体呈上升趋势,而南营水库站与古浪站呈下降趋势,径流量与降水量的周期规律及相关性最显著,其次是最高气温,最低气温最差,共振周期范围为2~8 a。通过与现有成果的对比分析,表明该方法对探究气象因子突变性、水文气象要素相关性及其时频变化有重要的指导意义,石羊河流域在针对性补水时应优先考虑从降水环节出发,实施人工增雨作业。

我国华东地区气候变化与副高指数的小波分析

根据1951～2007年华东地区逐月平均气温和降水资料，在利用连续小波变换对华东地区的降水、气温与副高指数的时频变化特征进行分析的基础上，采用交叉小波变换方法分析了华东地区近57年的气候变化与副高之间的相关关系。结果表明，华东地区气候要素与副高指数距平序列都存在着不同时间尺度的周期分量，并且各周期分量的强度是不同的。其中以2～8年尺度的年际振荡较为明显，10年以上的年代际变化以1980年为突变点。