海洋水文要素計算分析方法省級

㈠ 生態水文分區方法

3.4.1 主要分區方法概述

分區的方法包括很多種，包括定性方法、定量方法以及兩種相結合的方法。定性方法是根據社會現象或事物所具有的屬性和在運動中的矛盾變化，從事物的內在規定性來研究事物的一種方法或角度。它以普遍承認的公理、一套演繹邏輯和大量的歷史事實為分析基礎，從事物的矛盾性出發，描述、闡釋所研究的事物。進行定性研究，要依據一定的理論與經驗，直接抓住事物特徵的主要方面，將同質性在數量上的差異暫時略去。定性分區的方法主要包括傳統的主導因子法、順序法、合並法等。定量分析指分析一個被研究對象所包含成分的數量關系或所具備性質間的數量關系；也可以對幾個對象的某些性質、特徵、相互關系從數量上進行分析比較，研究的結果也用「數量」加以描述。近年來，隨著統計科學、遙感和地理信息系統等技術的發展，出現了大量的定量區劃方法，主要包括系統聚類方法、模糊聚類方法、人工神經網路方法、GIS法、綜合集成法等。其中，聚類分析法對於生物學、醫學、氣象學、地質學以及其他一切涉及分類的學科都是適用的，經比較，本研究選取聚類分析法，並利用SP SS軟體來實現。

3.4.2 聚類分析法

聚類分析指將物理或抽象對象的集合分組成為由類似的對象組成的多個類的分析過程。它是一種重要的人類行為。聚類分析的目標就是在相似的基礎上收集數據來分類。聚類源於很多領域，包括數學、計算機科學、統計學、生物學和經濟學。在不同的應用領域，很多聚類技術都得到了發展，這些技術方法被用作描述數據，衡量不同數據源間的相似性，以及把數據源分類到不同的簇中。

聚類分析（Cluster analysis），也稱為群分析、點群分析、簇群分析等，是研究多要素事物分類問題的數量方法。聚類分析的基本原理是，根據變數（或指標）的屬性或特徵的相似性、親密程度，用數學方法定量地確定樣本之間的親疏關系，並按這種親疏關系的程度用數學的方法把它們逐步地分型劃類，關系密切的歸類聚集到一個小的分類單位，關系疏遠的聚集到一個大的分類單位，直到所有樣本或變數都聚集完畢，形成一個完整的分類系統圖，又稱譜系圖，用以更自然地和直觀地顯示分類對象（個體或指標）的差異（郭志剛，2001）。

聚類分析能客觀地反映這些變數或區域之間的內在組合關系。它的基本特點是事先無須知道分類對象的分類結構，只需要一批地理數據，然後選好分類統計量或指標，並按一定的方法步驟進行計算，最後便能自然、客觀地得出一張完整的分類系統圖。其實分區過程實質上就是一個聚類的過程。

從統計學的觀點看，聚類分析是通過數據建模簡化數據的一種方法。傳統的統計聚類分析方法包括系統聚類法、分解法、加入法、動態聚類法、有序樣品聚類法、有重疊聚類法和模糊聚類法等。採用k-均值、k-中心點等演算法的聚類分析工具已被加入到許多著名的統計分析軟體包中，如SP SS、SAS等。下面僅就最常用的系統聚類法和模糊聚類法進行簡要描述。

系統聚類分析法是目前國內外使用最多的一種方法，也稱作分層聚類分析法。系統聚類的基本思想為：首先，先將n個樣本各自看成一類，規定樣本之間的距離和類與類之間的距離；其次，選擇距離最小的一對並成一個新類，計算新類和其他類的距離；然後，將距離最小的兩類合並，這樣每次減少一類，直至所有的樣本都成為一類為止（袁清珂等，1995）。其原則是同一類中的個體有較大的相似性，不同類中的個體差異則很大。系統聚類符合區劃的基本原則，是區劃工作中最常用的定量分析方法。常見的距離有絕對值距離、歐氏距離、閔可夫距離、切比雪夫距離、馬氏距離、蘭氏距離。類與類之間的距離有很多定義的方法，主要有：類平均法、重心法、中間距離法、最長距離法、最短距離法、離差平方法、密度估計法。

模糊聚類分析法是採用模糊數學語言對事物按一定的要求進行描述和分類的數學方法，模糊聚類分析一般是指根據研究對象本身的屬性來構造模糊矩陣，並在此基礎上根據一定的隸屬度來確定聚類關系，即用模糊數學的方法把樣本之間的模糊關系定量的確定，從而客觀且准確地進行聚類。由於模糊聚類得到了樣本屬於各個類別的不確定性程度，表達了樣本類屬性的中介性，即建立起了樣本對於類別的不確定性描述，更能客觀地反映實際事物，從而成為聚類分析研究的主流。模糊聚類分析所討論的對象，事先沒有給定任何模式供分類參考，要求按照樣本各自的屬性特徵加以分類。聚類就是將數據集分成多個類或簇，使得各個類之間的數據差別盡可能大，類內之間的數據差別盡可能小，即為「最小化類間相似性，最大化類內相似性」原則。模糊聚類分析的基本過程：①計算樣本或變數間的相似系數，建立模糊相似矩陣；②利用模糊運算對相似矩陣進行一系列的合成改造，生成模糊等價矩陣；③最後根據不同的截取水平λ對模糊等價矩陣進行截取分類。

從分析方法上來說，本書採用系統聚類分析法（Hierachical cluster analysis）。系統聚類有兩種形式：一是對研究對象本身進行分類，對樣品進行聚類，稱為Q型聚類；另一種是對研究對象的觀察指標進行聚類，稱為R型聚類。根據生態水文區劃的特點，本書中應用的為Q型聚類。利用SP SS軟體可以很方便地進行聚類分析，其聚類步驟如下：

3.4.2.1 指標選擇

聚類分析的對象是樣本，樣本由能反映出其特徵的若干指標來表徵。聚類分析的效果很大程度上取決於樣本與聚類指標的選擇。指標指的是根據研究的對象和目的，能確切地反映研究對象某一方面的特徵依據。所選取的指標應具有代表性、適應性、可測性和獨立性，且指標間應具有明顯的差異性（曲永玲等，2005）。

3.4.2.2 數據標准化

區劃指標選定後，由於指標的量綱、數量級和數量變化幅度的差異，就會將不同性質、不同量綱、不同數量變化幅度的數值統計在一起，將有可能突出某些數量級特別大的指標對分類的作用，而壓低甚至排除了某些數量級較小的指標對分類的作用，從而使各指標以不等權參加運算分析。為了避免這些弊病，常對數據進行適當和必要的處理以及變換，從而消除量綱的不同，並使每一指標都統一在某種共同的、相對均勻化的數值范圍內，即對數據進行標准化處理。

數據的標准化也叫數據的無量綱化、規格化，是通過簡單的數學變換來消除各指標量綱影響的方法。SP SS軟體聚類分析菜單中提供了以下四大類指標無量綱化的處理方法（韓勝娟，2008）：

一是極值化方法。在SPSS軟體中提供了式（3.1）～式（3.3）三種極值化方法：

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

即每一個變數值除以該變數取值的全距。標准化後將各變數的取值范圍限於-1～1之間。

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

即每一個變數值與最小值之差除以該變數取值的全距。標准化後將各變數的取值范圍限於0～1之間。

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

即每一個變數值除以該變數的最大值。標准化後使各變數的最大值為1。

極值化方法對變數數據無量綱化是通過利用變數取值的最大值和最小值將原始數據轉換為界於某一特定范圍的數據，從而消除量綱和數量級影響，通過改變變數在分析中的權重來解決不同度量的問題。此方法在對變數無量綱化過程中僅與該變數的最大、最小值有關，這使得此方法在改變各變數權重時過分依賴2個極端值。在使用時應謹慎對待該數據中的極端值。

二是標准化方法，也就是每一個變數值與其平均值之差除以該變數的標准差。無量綱化後，各變數的平均值為0，標准差為1，從而消除了量綱和數量級的影響，可詳細表示為：

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

式中：X′_ij——第i個樣本的j變數標准化以後的值；

X_ij——第i個樣本的j變數的值；

X_j——第j個變數的算術平均值，

；

S_j——第j個變數的標准差，

。

經過標准差標准化變換後即變為：

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

第二類方法，即標准化法是目前使用最多的一種方法。在原始數據呈現正態分布的情況下，利用該方法進行數據無量綱處理是比較合理的。

三是均值化方法，即每一個變數除以該變數的平均值。標准化後各個變數的平均值都是1，標准差為原始變數的變異系數。

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

該方法在消除量綱和數量級影響的同時，保留了各變數取值差異程度上的信息，差異程度越大的變數對綜合分析的影響也越大。

四是標准差化方法，即每一個變數除以該變數的標准差。無量綱化後各個變數的標准差都為1。

南水北調中線工程河南受水區生態環境效益評估

它與標准化方法的差別僅在無量綱化後各變數的均值上，標准化方法處理後各變數均值為0，而標准差化方法處理後各變數均值為原始變數均值與標准差的比值，即變異系數的倒數，這將會對分析產生一些錯誤信息。

由於本研究選取的生態水文區劃指標來源不同，量綱和數量大小不一致，變化幅度也不一樣，所以不具有可比性。如果直接用指標值進行計算，就會突出絕對值大的變數的作用而減弱絕對值小的變數的作用。在進行統計分析計算前，必須對數據進行標准化變換，用以消除它們之間的差異，平衡各指標的作用。由於生態水文區劃時需要盡量保留實際值中的數值關系，則通過以上研究，SP SS軟體可用的指標標准化方法中最適合本研究的就是第二種——標准化方法，所以本研究選用此方法來進行數據標准化。

3.4.2.3 距離的計算

通常使用距離來衡量2個對象之間的相異度，即定義單元間的距離。常用的距離度量方法如表3.1所示。

表3.1 常用的距離度量方法表

選擇不同的距離，聚類結果會有所差異。目前，並沒有明確的原則或理論為基礎來選擇標准化方法和相似性度量的方法。在地理分區和分類研究中，往往採用幾種距離進行計算、對比，選擇一種較為合適的距離進行聚類。經比較分析，本書選擇歐氏距離平方法。

3.4.2.4 聚類方法選擇

聚類結果的好壞取決於該聚類方法採用的相似性比較方法，選擇的聚類方法應能再現內在的分類組，且對一個數據組內的錯誤或異常值比較敏感。

系統聚類的相似性（類與類之間的距離）比較方法有許多種，例如最長距離法（兩類之間的距離用兩類間最遠樣本的距離來表示，它是空間擴張的）、最短距離法（兩類之間的距離以兩類間的最近樣本的距離來表示，它是空間壓縮的）、重心距離法（兩類間的距離以重心之間的距離表示，具有非單調性）、類平均法（兩類間的距離平方以各類元素兩兩之間的平均平方距離來表示，具有空間保持及單調性）和離差平方和法（兩類之間的平方距離用兩類歸類後所增加的離差平方和表示，聚類過程中使類內各指標的方差最小，類間的方差盡可能大，也具有單調性）等。

據研究，類平均法和離差平方和法能充分利用各樣本的信息，是類型合並和區劃中較好的方法，因而作為分區的主要方法。通過比較分析，本研究採用離差平方和法。

3.4.2.5 聚類數目確定

根據聚類要求，選擇聚類數目。根據一定的閾值可以把研究對象分為若干區域，研究區域對象不同，區域大小不同，閾值必定有所不同，所以閾值的確定需要結合研究對象和目的加以確定。

3.4.2.6 聚類結果解析

根據聚類分析得到的譜系圖，需要人為的加以解析和調整。聚類分析是把不同的分區單元組合到一起，但這種分析是一種類型合並，結果可能並不符合區域共軛原則。這就需要研究人員根據區劃的原則和研究對象的特徵進行調整，進而得到需要的結果。計算機只是輔助區劃研究的重要工具，研究者必須結合研究對象對計算機運行結果加以辨別、調整和篩選。

3.4.3 建立指標體系

科學合理地建立指標體系是劃分生態水文區的理論依據，是進行聚類分析的基礎。指標體系的確定和各個指標的選取應以盡可能地反映出不同區域生態水文系統的分異性規律為原則。生態水文系統的結構、功能及其形成過程是極其復雜的，它受多種因素的影響，是各個因素綜合作用的結果。因此，研究過程中在選取生態水文區劃分的指標時，應在綜合分析各要素的基礎上，綜合考慮，抓住其主導因素，這樣既可以把握住不同區域生態水文系統的本質，又不會使指標體系過於繁雜或重復。

根據生態水文區劃的理論基礎和原則要求，建立南水北調中線一期工程河南受水區生態水文分區指標體系。確定其生態水文分區的要素主要包括自然要素、土地利用要素、社會經濟要素和水土流失要素，並將生態水文區劃指標體系分為4 個層次，分別為目標層（A）、要素層（B）、因子層（C）和指標層（D），各層次的因素分析如下：

1）目標層（A）。建立生態水文區劃指標體系是生態水文區劃的基礎工作和關鍵步驟，體系綜合了影響生態水文的各項主要因素和因子，系統反映了自然、土地和水土流失對生態水文的作用。

2）要素層（B）。要素層是生態水文各影響因素的綜合體現，其包括自然要素（B₁）、土地利用要素（B₂）、水土流失要素（B₃）。

3）因子層（C）。因子層包括地形因子（C₁）、氣候水文因子（C₂）、各類用地比例因子（C₃）、水土流失強度因子（C₄）。

4）指標層（D）。指標層是生態水文系統各影響因素的具體體現，根據區域具體情況進行選擇確定。地形因子主要包括平均海拔等指標；氣候水文因子主要包括年地下水埋深、多年平均降水深等指標；各類用地比例因子指各種土地利用類型的面積比例，包括水域占土地總面積比例、耕地佔土地總面積比例等指標；水土流失強度因子主要包括輕度以上土壤水蝕面積比例等指標。

表3.2列出了生態水文區劃體系前3個層次的結構組成。

表3.2 生態水文區劃指標體系結構表

3.4.4 生態水文分區過程

本書採用系統聚類方法進行生態水文分區。系統聚類利用SPSS（Statistical Program for Social Science）的聚類分析功能來實現。生態水文分區的方法步驟為：首先按區劃單元收集數據，運用統計分析軟體對各項指標進行數據標准化並進行系統聚類分析，生成各要素的聚類樹狀圖，並對聚類結果加以合理的調整，最後生成生態水文區劃圖，分區過程如圖3.1所示。

圖3.1 生態水文區劃方法步驟圖

Fig.3.1 Step chart of eco-hydrological regionalization

㈡ 水文要素包括哪些

水文循環三要素：降水、蒸發、徑流。
海洋水文三要素：溫度、鹽度和深度。
洪水水文三要素：洪峰流量、洪水總量、 洪水過程線。
有時，也把水位、流量、含沙量、水溫、冰凌和水質等稱為水文要素。
水文循環三要素：降水、蒸發、徑流。
海洋水文三要素：溫度、鹽度和深度。
洪水水文三要素：洪峰流量、洪水總量、 洪水過程線。
有時，也把水位、流量、含沙量、水溫、冰凌和水質等稱為水文要素。

㈢ 　海洋環境要素的數值計算分析技術

一、海上油田風、浪、流、潮年極值要素計算

以秦皇島32-6油田為例，海域風、浪、流、潮等年極值要素的分析計算，採用數值計算後報方式，以1971993年間影響該海域的台風及強寒潮天氣過程下的歷史海面氣壓場及天氣圖作為基礎資料，採用中國海油與青島海洋大學合作開發的數值計算模式，即海面風場計算模式（包括二層診斷模式、行星邊界層的動力學模式、台風模式）、淺水浪流耦合海浪數值計算模式、水位和流場的三維模式，以1/8°網格距劃分計算區域，由海面風場數值計算模式計算出每年影響該海域的強寒潮及台風天氣過程下各格點的風速。由浪流耦合海浪數值模式、水位場和流場的三維模式計算出各格點的波高、周期、水位、風增、減水等要素，作為推算設計環境要素的樣本序列。然後依據樣本序列採用WEIBULL分布推算工程點各重現期設計波要素值。

（一）強天氣過程個例選取

在1970-1993年間的24年裡，有120多個強天氣過程掠襲渤海，但能夠影響秦皇島（QHD)32-6油田海區風、浪、流及水位產生較大變化的，只有82個天氣過程，平均每年約有3或4個天氣過程。它們不可能都造成年極值，只有逐個對天氣過程進行模擬計算後，才能確定哪些是可取的天氣過程。

（二）模擬結果衍生的其他結果

1.10m高度處的各種平均風速

根據海洋工程要求，依據API標准，將10m高度處平均風速的年極值按下列諸式換成同一高度的各種平均風速年極值：

1h平均風速＝30min平均風速/1.03

3h平均風速＝1h平均風速/1.05

10min平均風速＝1h平均風速×1.07

1min平均風速＝1h平均風速×1.20

3sec平均風速＝1h平均風速×1.60

2．波浪各要素間的關系

波浪模擬給出的是有效波高H_s及對應的周期T_s。

a．假定單個波高H與有效波高H_s滿足瑞利分布：

（六）最大風速及相應的波高、流速聯合概率

由於自升式平台重要組成部分迎風面積較大，因此，最大風速及相應同時出現的波高、流速可以導致最大的響應，現以實例計算見表17-13。

表17-13聯合概率百年一遇風浪流組合、相應傾覆力矩與極值響應法的比較

（七）結論

a．按照預計計劃完成了「非高斯過程，具有不同相關性的多維隨機變數聯合概率」隨機模擬的軟體開發（JOPAP軟體開發）。隨機模擬技術具有收斂快（比M-C法快5～10倍）、誤差小（最大相對誤差不超過10%）的優點。

b．隨機模擬軟體可使用於各類災害性動力環境經常採用的概率分布模式（如極值I、Ⅱ、Ⅲ型分布，WEIBULL分布，對數正態分布，復合極值分布等），可滿足各類工程防災的概率分析。

c．本研究針對不同工程結構，從最不利的災害環境組合產生的響應出發，進行不同類別同時出現的災害環境資料抽樣，從而達到了將聯合概率隨機模擬的非單一解轉化為固定解的目的。

d．針對美國API規范以及中國和其他規范，對同時出現災害動力環境評估方法中存在的問題，本項目具體解決了：①對固定式平台，建議採用以波高為控制條件的風、浪、流聯合概率作為設計標准；②對自昇平台，建議採用以風速為控制條件的風、浪、流聯合概率作為設計標准；③對平台立管在海流較大的海區，必須採用以波浪或海流為控制條件的風、浪、流聯合概率作為設計標准。

e．本項目成果解決了美國API最新版本（中國海洋石油行業規范）中「含糊不清」的一些提法，在國際上首先以聯合概率的方法，解決了不同工程結構設計標準的合理確定方法。

㈣ 海洋水文氣象學要素

氣象要素：氣溫、氣壓、濕度、風、雲、霧、能見度等。
濕度是由空氣中的水汽含量決定，離海越近濕度一般越大。風吹過的距離決定了海浪的大小，風吹過的距離越大，海浪形成的時間越早，風速越大，海浪越大。雲和霧都是由水汽形成，海洋上在低溫高壓的條件下氣流下沉，水汽集中在海表，形成霧。高溫低壓的時候氣流上升，水汽在上空凝結，形成雲。霧氣大的時候能見度自然就低了。
水文要素：表層水溫、海浪、海流、海冰等。
這個和海洋的關系不用說了吧，研究海洋動力學的時候，海浪、海流是很重要的。

㈤ 水文調查包括哪幾個方面的內容

水文指一個國家的水資源、水文化.
水文調查是為了水文分析計算、水利規劃、水文預報以及其它工農業生產部門的需要而進行的野外查勘、試驗,並向有關部門搜集資料的工作.其目的是補充水文基本站網定位觀測之不足.調查內容包括：水文要素（水位、流量、含沙量、土壤含量、下滲等）,氣候特徵（降水、蒸發、氣溫、濕度、風等）,流域自然地理（地形、地質、水系、分水線、土壤、植被等）,河道情況（河寬、水深、彎道、建築物等）,人類活動（水利、水土保持措施、土地利用、工農業用水等）以及水旱災情,社會經濟狀況等方面.另外,在某些情況下,為了專門的目的,也可以組織專門的水文調查,例如洪水調查,主要是查清歷史洪水的痕跡、發生的日期和情況以及河道情況、估算洪峰流量、洪水總量及發生的頻率等.

㈥ 海洋水紋氣象觀測是做什麼的

海洋水文氣象觀測，是為了解海洋水文要素分布狀況和變化規律進行的觀測。觀測項目隨調查任務而定，一般包括：水深、水溫、鹽度、海流、波浪、水色、透明度、海冰、海發光等觀測。

觀測方式包括：①大面觀測，在調查海區布設若干觀測站，每隔一定時間（一個月或一個季度）在各觀測站觀測一次。②斷面觀測，在調查海區布設幾條有代表性的若干觀測站組成的斷面，每隔一定時間在各觀測斷面上巡迴觀測一次。③連續觀測，在調查海區布設若干有代表性的觀測站，按任務要求在每一觀測站上進行一晝夜以上的連續觀測。

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