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监测预警基础51-季节性分析的另外2种方法:聚类分析和游程检验

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系列简介

这是我们一系列原创技术贴,从易到难,每天学习一点。所有内容均为疾控数据分析、科研论文相关,或者说很多和现在的热门监测预警相关,所以我们这个系列就叫“监测预警基础”。

今天是第51节,我们很早之前就讲过季节性分析的方法,比如季节指数,圆形分布和集中度法等。今天我们再介绍2种方式,所有季节性分析的方法都需要注意,就是各自是从不同维度讲的不同故事,对我们来说就是互相印证和互相参考。

做传染病监测数据分析时,"这个病有没有季节性、几月份是高峰"几乎是每篇论文的必答题。

集中度值法、圆形分布法、季节指数大家用得比较多,之前也都分享过→

今天介绍另外两种在SPSS里就可以轻松实现的方法——聚类分析和游程检验。两者一个负责"定流行时间",一个负责"给统计学证据",搭配使用效果更佳。


1. 方法原理
聚类分析是一种多元统计分类方法,核心思想是"物以类聚":按照数据间的相似程度,把没有事先分类标志的观测对象自动分成若干类,使类内差异小、类间差异大
用于季节性分析时,把全年12个月看作12个"对象",每个对象的特征值就是该月发病数,采用系统聚类中的Q型聚类(对个案聚类),以平方欧氏距离度量月份间的差异、组间平均联接法逐层合并,最终画出一棵树状图,直观展示12个月如何一步步聚成几类。
2. 用途
第一,将全年各月按发病水平分为高发期、中发期、低发期,识别疾病的流行季节和流行时间;第二,是所有季节性分析方法中唯一能绘制图形(树状图)的方法,可视化强、易于展示。
3.数据形式

这个地方需要注意,关键提示,聚类分析要用"多年合并"的数据,即把多年同月份的发病数求和或求均值,合并成12行数据,就是下面这样:



为什么不直接用20年240个月的原始长表?
因为那样SPSS会把240个月当成240个互不相干的个案,只按发病数大小分组——2008年5月和2019年12月可能因为数值相近被聚成一类,时间结构完全被打乱,根本无法回答"几月是流行季"。合并成12个月后,聚类结果才直接对应季节规律。
4. SPSS操作
菜单中选择分析 → 分类 → 系统聚类即可


聚类选择个案(即Q型聚类);聚类方法选"组间联接",度量标准选"平方Euclidean距离";图勾选"谱系图(树状图)"

5. 结果解读

输出结果主要有3样东西:

第一,凝聚计划表。记录12个月逐步合并的过程。系数(合并距离)突然"跳跃"变大的位置,提示合理的分类数。

第二是冰柱图。纵轴"聚类个数"从下往上是12类→1类的合并过程,每一列是一个月份(顺序为6、5、9、8、2、12、11、4、10、3、7、1)。白色空格代表"此处在该分类数下已被分开"。 看纵轴=3这一行:白色缝隙正好把12个月分成3段连续区域:{6,5}、{9,8,2}、{12,11,4,10,3,7,1}——与后面谱系图结果一致。


第三是树状图(谱系图):纵轴是月份,横轴是重定标距离(0~25),在某距离处"竖着切一刀",穿过几条线就是几类。


聚类分析的优点就是计算简单、图形直观,能给出流行时间范围,这是集中度法和游程检验做不到的;

而局限性主要在于无统计学检验(没有P值),不能排除随机误差;不考虑时间相邻性——2月和8月聚为一类纯属发病数都低,并非同一"流行期",下结论必须结合时间顺序和专业知识,要慎重。


1. 方法原理

游程检验(Runs Test,亦称连贯检验)是一种非参数检验,根据样本标志排列所形成的游程多少来判断序列分布是否有规律。

用于季节性分析的思路就是把按月(或周)排列的发病数看作一个时间序列;求出序列中位数M作为分界值:发病数≥M记为"+",

然后序列中连续出现"+"或"−"的一个区段叫一个游程,游程总数记为 r;如果发病毫无季节性,"+""−"交替穿插,游程数多;如果存在季节性,高发月连成串、低发月连成串,游程数明显偏少。

统计推断:根据"+"总数m、"−"总数n计算期望游程数 E(r)=2mn/(m+n)+1 和方差,构造Z统计量,当|Z|>1.96(P<0.05)时,认为存在季节性聚集。

2. 用途

从总体上判断疾病时间分布是否具有季节性,属于统计推断,能给出P值、排除随机误差,结果可信度较高;

是非参数方法,对数据分布无要求,计算简单,总体判断季节性的效果优于集中度值法和负二项分布。

3. 数据形式

关键提示:游程检验要用"多年分开"的逐月序列,效果更好。

即把多年数据按时间顺序逐月依次排列(如2006—2025年共240个月,1—12月、1—12月……循环录入),病例数一列从上到下就是时间序列本身。录入时务必保证行顺序严格按年→月先后,不错行、不漏行,建议另加一列"年份"便于核对。

为什么不用合并后的12个月?主要原因就是只有12个观测值,样本量太小,检验效能低。

4. SPSS操作

操作很简单,如下图所示:


5. 结果解读


结果更简单,就上面这个表,看Z值和P值就行了,P<0.05,说明存在季节性。

6. 总结

游程检验的优势是有P值,结论可排除随机误差,比集中度法、聚类分析更"硬";非参数检验,对数据要求低、操作简单;局限性在于只能回答"有没有"季节性,给不出流行时间。

两种方法正好互补:聚类分析出图、定流行月份,游程检验提供统计学证据。再加上季节指数量化各月偏离年均水平的程度,季节性分析这一块的证据链就完整了。

季节性的判定没有"金标准",每种方法都有适用场景。记住今天这两个要点:聚类分析用多年合并数据定流行季,游程检验用多年逐月序列给P值,双剑合璧,你的季节性分析就能既有图、又有统计学证据,论文论证自然更扎实。



编辑:普通疾控人 | 审核:诗酒趁年华

文章来源 | 原创

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