Detection of change in river flow using phase randomization

Detection of nonstationarity in series of flow records is of vast scientific and practical significance. In order to develop guidance as to the choice of an appropriate test, among the many candidates, one has recourse to analysis of a controlled trend artificially introduced to generated data mimicking river flow observations. Raw series of good quality flow data were normalized and de-seasonalized and subsequently transformed to the Fourier spectral domain. Keeping the power spectrum preserved, the phase spectrum was subjected to randomization. After transformation back to the temporal domain, the data were contaminated with trends and step changes in a controlled way. The results evaluate the detectability of nonstationarity by particular tests as a quasicontinuous function of magnitude of the contaminating change. A method is devised to compare the tests' performance, with the objective of choosing an appropriate tool. Analysis of detectability versus change magnitude gives a new insight, of direct practical applicability, into the properties of the tests. Further insight is provided by examining over 200 real series of river flow records. Détection de changements dans les séries de débits utilisant la randonisation de phase Résumé La détection d'instationnarités dans les séries chronologiques de débits a des implications scientifiques et pratiques considérables. Afin d'élaborer des règles de choix de tests parmi les nombreuses méthodes proposées, nous nous sommes appuyés sur l'analyse de perturbations artificiellement introduites sur des données synthétiques mimant des données réellement observées. Des séries de données brutes de bonne qualité ont été normalisées et désaisonnalisées puis soumises à une transformation de Fourier. En conservant le spectre de puissance, le spectre de phase a été randonisé. Après transformation inverse dans le domaine temporel, on a imposé aux données des tendances et/ou des sauts. La détectabilité des instationnarités est évaluée par différents tests en fonction de la magnitude des modifications imposées. Nous avons élaboré une méthode de comparaison des performances des tests en vue de choisir un outil approprié. L'analyse de la détectabilité des changements en fonction de leur magnitude fournit une nouvelle approche, directement applicable, des propriétés des tests. Cette approche est éclairée par l'examen de plus de 200 séries chronologiques réelles de débit.