赫斯特指数的分析

赫斯特指数的分析

在应用矩法研究洪水的时间系列时，频率曲线的统计参数之一变差系数表达式中为系列的算术平均值，为均方差，上式表示为均方的形式。其中，变差系数代表着特征值(洪水)对中心的相对变化(相对离差)的平均值，它反映了一段时间系列(n)内变量(洪水)的一般性相对变动程度，因此它受到统计时间系列的长短影响。这是水利行业比较熟悉的频率曲线中的参数。在混沌理论中，自相似分形和分数布朗运动的研究，对于数布朗运动的时间相关性进行了数值方面的分析，简称R/S分析。在水利行业中目前已有许多应用研究。我们利用变差系数计算中的均值、均方差计算，如果在均方差的统计范围内定义一个极差式子表示为统计时间系列内最大值与最小值之差，极差和均方差的比值随时间(n)基本单调上升(不完全上升)，并且和时间(n)有如下幂函数关系。按照时间系列增长，对得到的数组与n一一取对数，并绘制在双对数图上，图中直线部分的斜率就是的指数H，称为赫斯特指数。英国科学家赫斯特(赫斯特指数)对尼罗河进行长期的水文观测，采用的数据分析方法，称为变标度极差分析法(Rescaledrangeanalysis简称R/S分析法)。通过分析认为各年的流量存在着一定的时间相关性，如尼罗河流量的时间系列曲线的赫斯特指数指数是0.72，相应的分维分形数为1.28，具有正的长时间相关效应。用尼罗河流量时间系列的R/S分析得到的赫斯特指数指数，和随机时间系列的R/S分析得到的赫斯特指数指数显著不同。
人们作过试验，用计算机产生一个随机时间系列曲线，利用均匀随机数给出随机系列，计算它们的赫斯特指数指数，其值接近0.5。如果把尼罗河流量时间系列打乱，再进行R/S分析，得到的赫斯特指数指数值也接近0.5。说明没有时间相关性的随机时间系列曲线的赫斯特指数指数为0.5，R/S分析是分析时间系列曲线相关性的有效方法。也是得出时间系列曲线的分维D(D=2-H)的有效方法。赫斯特指数还对多种自然现象的时间系列曲线进行了R/S分析，如河湖水位H=0.72，降雨量H=0.70，泥浆沉积H=0.69，温度H=0.68，气压H=0.63，日斑指数H=0.75，树木年轮H=0.80。这些现象平均H=0.726。大多数河流的H为0.65到0.80之间，都具有正效应，表示未来的趋势与过去一致，H愈接近1，持续性愈强。当H<0.5时，序列具有负效应，表示未来的趋势与过去相反，H愈接近0，反持续性愈强。水文序列的所谓正效应，即干旱愈久，就可能出现持续的干旱；大洪水年过后仍然会有较大洪水。洪涝干旱与地区的气象、土壤、地质等自然地理条件有关，但赫斯特指数指数显示出洪涝干旱具有变化的长程效应。在我省频繁出现的洪旱灾情也具有这种特点，至于相关的规律性，尚需进一步深入研究。 R/S分析法计算简单，统计三个参数，均值，均方差，极差，用手工的方法确定赫斯特指数指数(关系线的斜率)。适宜有时间序列观测资料的年轻科技人员进行研究。