在时间序列中增加一个阶跃对长期趋势变化的影响

这是一个示例代码,主要是展示算法思路以及实现:

问题描述:在湖泊水位变化中,在特定的时间点增加一个阶跃,然后计算前后的水位长期趋势。

matlab程序实现:

复制代码
%% Chistrong Wen
%% Stuttgart, Germany
%% 20250902 14:06
%% 已知台阶对整体长期趋势的影响(P2O1 + WLS, 传递观测σ)
clear; clc;
% ===== 数据:日期yyyymmdd, 值, sigma =====
D = [...
20181211	0.68	0.042
20190107	8.01	0.042
20190203	12.71	0.042
20190302	11.93	0.043
20190329	12.59	0.046
20190425	14.78	0.044
20190522	15.38	0.103
20190618	12.97	0.052
20190715	12.25	0.042
20190811	9.79	0.043
20190907	5.62	0.055
20191004	4.27	0.519
20191031	5.68	0.043
20191127	5.35	0.044
20191224	5.33	0.063
20200120	10.68	0.043
20200410	14.83	0.225
20200507	14.18	0.053
20200603	12.77	0.043
20200630	12.31	0.103
20200727	7.99	0.042
20200823	5.31	0.043
20200919	0.67	0.057
20201016	-2.44	0.042
20201112	-0.55	0.042
20201209	0	0.042
20210105	-0.25	0.046
20210201	0.71	0.086
20210228	8.13	0.044
20210327	8.58	0.052
20210423	8.74	0.05
20210520	0.9	0.042
20210616	-1.92	0.063
20210713	-2.85	0.068
20210809	-4.19	0.064
20210905	-2.04	0.108
20211002	-2.32	0.042
20211029	-4.49	0.042
20211125	-3.35	0.042
20211222	-2.69	0.163
20220118	-2.78	0.044
20220214	-0.31	0.042
20220313	7.69	0.058
20220409	10.87	0.046
20220506	14.19	0.181
20220602	13.98	0.059
20220629	12.75	0.044
20220726	8.89	0.064
20220822	5.51	0.052
20220918	5.87	0.079
20221015	5.34	0.042
20221111	4.2	0.043
20221208	4.3	0.049
20230104	4.34	0.045
20230131	3.79	0.057
20230227	7.42	0.045
20230326	8.73	0.064
20230422	12.61	0.042
20230519	14.18	0.055
20230615	12.92	0.085
20230712	8.88	0.068
20230808	4.42	0.062
20230904	2.97	0.101
20231001	4.46	0.047
20231028	5.19	0.042
20231124	3.7	0.044
20231221	4	0.368
20240117	6.43	0.042
20240213	7.78	0.042
20240311	10.63	0.061
20240407	12.07	0.042
20240504	11.88	0.044
20240531	11.27	0.057
20240627	8.62	0.049
20240724	5.29	0.084
20240820	4.98	0.082
20240916	5.6	0.05
20241013	5.84	0.043
20241109	4.38	0.042
20241206	1.52	0.044
20250102	-0.24	0.043
20250225	4.5	0.044
20250324	2.6	0.071
20250420	3.92	0.042
20250517	8.9	0.046
20250613	11.99	0.075
20250710	7.85	0.066
20250806	4.23	0.057];

dateInt = D(:,1); y = D(:,2); sigma = D(:,3);
t  = datetime(string(dateInt),'InputFormat','yyyyMMdd');
tt = decyear_local(t);                   % 十进制年

% ===== 已知台阶:事件日、幅度(正值=抬升)=====
eventDate = datetime(2023,3,1);
shift_val = 0.157;                         % m(示例)
H = double(t >= eventDate);               % 事件后的指示向量

% ===== 构造 P2O1 的 WLS 设计矩阵(cos/sin+常数+线性)=====
[G,omega] = design_P2O1(tt);

W = diag(1./(sigma.^2));                  % WLS 权

% ===== 原始整体趋势(含台阶)=====
[m0, se0, CovB0] = wls_fit_trend(G, W, y);      % m0: [A1c,A1s,A2c,A2s,offset,trend]的线性系数形式
trend_raw  = se_struct(m0, se0).trend;          % 仅用于展示;下行直接取
slope_raw  = m0(6);  se_slope_raw = se0(6);

% ===== 去台阶:把已知 +shift 从事件后加上,再整体拟合 =====
y_corr = y + shift_val * H;
[mc, sec, CovBc] = wls_fit_trend(G, W, y_corr);
slope_corr  = mc(6);  se_slope_corr = sec(6);

% ===== 台阶对"整体趋势"的影响:解析量(精确)=====
% β_hat = (G'WG)^{-1} G'W y
% 去台阶等于 y' = y - s*H  =>  β_hat' - β_hat = -(G'WG)^{-1}G'W (s*H)
K = (G'*(W*G)) \ (G'*(W*H));       % 6x1
delta_slope_exact = -shift_val * K(6);      % 精确改变量(去台阶 - 原始)

% ===== 数值复核 =====
delta_slope_numeric = slope_corr - slope_raw;

% ===== 输出 =====
ci95 = @(s, se) [s - 1.96*se, s + 1.96*se];
ci_raw = ci95(slope_raw, se_slope_raw);
ci_cor = ci95(slope_corr, se_slope_corr);

fprintf('\n=== 已知台阶对整体长期趋势的影响(P2O1 + WLS) ===\n');
fprintf('原始(含台阶): trend = %.4f ± %.4f /yr   (95%%CI [%.4f, %.4f])\n', ...
        slope_raw, se_slope_raw, ci_raw(1), ci_raw(2));
fprintf('去除台阶后 : trend = %.4f ± %.4f /yr   (95%%CI [%.4f, %.4f])\n', ...
        slope_corr, se_slope_corr, ci_cor(1), ci_cor(2));
fprintf('台阶对趋势的影响(解析, 去台阶-原始) = %.4f /yr\n', delta_slope_exact);
fprintf('数值复核(去台阶-原始)              = %.4f /yr\n\n', delta_slope_numeric);

% =====(可选)画图 =====
yhat_raw = G*m0;
yhat_cor = G*mc;
figure('Color','w'); hold on; box on; grid on;
plot(t, y, 'o','MarkerSize',4,'DisplayName','原始观测');
plot(t, y_corr, '.', 'MarkerSize',10,'DisplayName','去台阶后观测');
plot(t, yhat_raw, '-', 'LineWidth',1.6,'DisplayName','原始-整体拟合');
plot(t, yhat_cor, '-', 'LineWidth',1.6,'DisplayName','去台阶-整体拟合');
xline(eventDate,'k--','DisplayName','事件');
xlabel('Time'); ylabel('Water level (units)');
title(sprintf('已知台阶(+%.1f m)对整体趋势的影响', shift_val));
legend('Location','best');

%% ===== 函数区 =====
function ydec = decyear_local(t)
Y = year(t); t0 = datetime(Y,1,1); t1 = datetime(Y+1,1,1);
ydec = Y + days(t - t0)./days(t1 - t0);
end

% P2O1 设计矩阵(与你模型一致:年/半年余弦、正弦 + 常数 + 线性tt)
function [G,omega] = design_P2O1(tt)
Tperiod = [1, 0.5];
omega   = 2*pi./Tperiod;
G       = zeros(numel(tt),6);
G(:,1)  = cos(omega(1)*tt);
G(:,2)  = sin(omega(1)*tt);
G(:,3)  = cos(omega(2)*tt);
G(:,4)  = sin(omega(2)*tt);
G(:,5)  = 1;
G(:,6)  = tt(:);
end

% WLS 求解 + 参数标准差
function [m_lin, se_lin, CovB] = wls_fit_trend(G, W, y)
A    = G'*(W*G);
b    = G'*(W*y);
m_lin= A \ b;                                  % 线性系数:cos, sin, cos, sin, offset, trend
res  = y - G*m_lin;
dof  = numel(y) - size(G,2);
s2   = (res' * (W*res)) / dof;                 % 加权残差方差
CovB = s2 * inv(A);                            % 参数协方差
se_lin= sqrt(diag(CovB));                      % 1σ
end

% 仅用于展示把线性系数转为"幅相+offset+trend"的结构(趋势直接用线性第6个)
function S = se_struct(m_lin, se_lin)
S.trend = m_lin(6); S.se_trend = se_lin(6);
end

运行结果:

=== 已知台阶对整体长期趋势的影响(P2O1 + WLS) ===

原始(含台阶): trend = -0.3794 ± 0.2189 /yr (95%CI [-0.8084, 0.0497])

去除台阶后 : trend = -0.3483 ± 0.2198 /yr (95%CI [-0.7791, 0.0825])

台阶对趋势的影响(解析, 去台阶-原始) = -0.0311 /yr

数值复核(去台阶-原始) = 0.0311 /yr

❤️欢迎点赞收藏❤️

相关推荐
3GPP仿真实验室2 小时前
【MATLAB源码】CSI-RS:信道估计仿真与评估平台
开发语言·matlab
Evand J3 小时前
基于PID控制的无人机巡航仿真(Matlab代码实现)——四旋翼无人机三轴位置 + 偏航角的串级PID控制仿真
matlab·无人机·控制·pid·uav·旋翼机
好汉学技术5 小时前
如何在 MATLAB 中绘制三维线图?
matlab
88号技师7 小时前
2026年3月一区SCI-B样条曲线优化算法B-spline curves optimizer-附Matlab免费代码
开发语言·算法·数学建模·matlab·优化算法
rit84324991 天前
有限元法求转子临界转速的MATLAB实现
开发语言·matlab
Matlab程序设计与单片机1 天前
【机器人最短路径规划】基于标准蚁群算法
matlab·蚁群算法·路径规划问题
Marye_爱吃樱桃1 天前
MATLAB R2024b的安装、简单设置——保姆级教程
开发语言·matlab
IT猿手2 天前
基于控制障碍函数的多无人机编队动态避障控制方法研究,MATLAB代码
开发语言·matlab·无人机·openclaw·多无人机动态避障路径规划·无人机编队
Evand J2 天前
【MATLAB复现RRT(快速随机树)算法】用于二维平面上的无人车路径规划与避障,含性能分析与可视化
算法·matlab·平面·无人车·rrt·避障
s09071362 天前
【声纳成像】基于滑动子孔径与加权拼接的条带式多子阵SAS连续成像(MATLAB仿真)
开发语言·算法·matlab·合成孔径声呐·后向投影算法·条带拼接