基于幂律尾指数研究中国降水的时空演变特征

基于中国气象局国家气候中心740站点1960—2000a的日降水观测资料，对中国各地区日降水量分等级进行统计分析，揭示了各地区日降水存在的一个共同特征——幂律尾分布，且不同等级的降水量对应不同的幂律尾指数，在一定程度上反映了不同雨型具有不同的气候背景和物理机理.中国华北、华南等七个气候特征区，其幂律尾指数总体自东南向西北呈递增趋势，这与中国降水东多西少，南多北少的空间分布特征相符合.研究各气候特征区日降水的幂律尾指数随时间的演变特征发现：东北、华北和西北地区的幂律尾指数发生突变的年份对应着20世纪70年代末开始的中国北方干旱化进程，导致的可能原因是微量降水，尤其是0—7mm日降水的减少. 关键词： 幂律尾指数 突变 北方干旱化     

Inverse cubic law for the distribution of stock price variations

The probability distribution of stock price changes is studied by analyzing a database (the Trades and Quotes Database) documenting every trade for all stocks in three major US stock markets, for the two year period January 1994 - December 1995. A sample of 40 million data points is extracted, which is substantially larger than studied hitherto. We find an asymptotic power-law behavior for the cumulative distribution with an exponent , well outside the Lévy regime . Received: 23 April 1998 / Revised and Accepted: 24 April 1998     

基于幂律尾指数研究不同尺度系统对降水的影响

利用中国气象局国家气候中心740站点1960—2000年日降水观测资料，统计分析表明，各气候特征区30 mm以上日降水存在幂律尾分布特征，从中国的整体情况来看，幂律尾指数的均值超过了3.0，其对应的降水过程不存在平稳性成分，因此长期暴雨预报成为一个艰巨的任务.借助滤波方法进一步研究发现：日降水幂律尾分布特征是大气中各尺度系统相互作用的结果，其中一周尺度系统对30 mm以上日降水幂律尾指数影响最大. 关键词： 幂律尾指数 传递熵 暴雨     

基于启发式分割算法的气候突变检测研究

气候系统的非线性、多层次性和非平稳性对气候突变的检测方法提出了较高的要求.基于t检 验将非平稳序列分割为多个不同尺度的自平稳子序列，Bernaola Galvan提出的启发式分割 算法(BG算法)，对非平稳时间序列的突变检测效果较好.在BG算法的基础上，通过理想时间 序列验证BG算法处理非平稳时间序列的有效性，并对近2000a北半球树木年轮距平宽度序列 基于不同层次的思想，检测和分析其中包含的各种尺度的气候突变事件，成功地区分不同尺 度的突变.定义的新物理量——突变密度的分析表明，自然因素作用的基础上，人为因素影 响的加剧可能导致近1000a来突变密集段和稀疏段分布失衡，这可能是全球变化的重要表现 之一. 关键词： 气候突变 均值段 突变密度 人为因素 全球变化     

基于信息分配和扩散理论的东北地区干旱脆弱性特征分析

基于信息分配和扩散理论, 结合标准化降水指数和东北三省(黑龙江、吉林、辽宁)旱灾灾损指数, 综合考虑了气象因子与社会因子, 分析了我国东北三省1971–2012年的干旱脆弱性特征, 并进一步计算了我国东北三省的干旱风险. 使用信息分配方法估计干旱强度概率分布, 采用二维正态信息扩散方法构造了干旱强度与旱灾灾损的脆弱性关系, 将干旱强度的概率分布与脆弱性折线相乘求和(离散分布)或积分(连续分布)即可得到多年平均风险. 研究表明, 针对灾损的小样本事件引入信息分配和扩散方法对小样本数据进行分析, 获取的干旱强度概率分布比简单直方图法所得更加平滑, 而以事件为因、灾损为果得到干旱强度-旱灾灾损的脆弱性关系, 物理意义明确, 所得脆弱性关系折线也比较符合实际情况, 并且不同样本长度所得结果相近, 对样本长度不敏感, 较好地克服了小样本分析的不稳定性. 关键词： 信息分配和扩散理论 标准化降水指数 脆弱性 风险     

Beyond Einstein's radiation theory

Einstein's radiation mechanism is generalized to account for the possibility of population inversion by placing a nonlinear bound on the growth of an unstable perturbation. The nonstationary linear mechanism of relaxation to blackbody radiation below threshold is studied. The nonstationary photon distribution is the negative binomial distribution, and casting it as a law of error, for which the most probable value is the mean value, gives the expression for the statistical entropy. The second law yields a nonequilibrium generalization of Planck's radiation law. The nonlinear mechanism leading to the transformation from the negative binomial probability distribution, for chaotic light, to a Poisson probability distribution, for coherent light, is then analyzed. A criterion for lasing is given in terms of the chemical potential of radiation which is compared to the inequality for the transition from quantum to classical statistics.     

中国东部2012年夏季降水及年代际转型的可能信号分析

针对2012年夏季中国东部降水"南旱北涝"的异常特征, 对比分析了近50年不同年代中国东部降水的分布型及海洋和环流等影响因素, 并讨论了2012年中国东部夏季降水异常作为中国东部降水年代际转型信号的可能性. 研究结果表明: 1961—1978年期间, 北太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相, 东亚夏季风偏强, 西太平洋副热带高压(副高)偏弱, 北方地区冷空气活动偏弱, 从而有利于南方水汽北上, 造成中国北方地区夏季降水异常偏多; 1979—1992年间则呈相反的特征, 造成1970年代末期中国东部夏季降水发生了一次年代际尺度的调整. 2010年代后期以来, PDO由暖位相向冷位向转变, 2012年北太平洋海温异常偏暖, 西太平洋海温由异常偏暖状态转变为正常略偏冷状态, 东亚夏季风由弱变强, 副高由强变弱, 北方冷系统活动减弱, 这些特征均与1961—1978年时段的情况类似, 支持2012年作为中国东部夏季降水发生年代际调整的前期信号的可能性. 近10年PDO, 东亚夏季风(EASM), 副高(WPSH)和贝湖高压(BH)四种指数夏季平均值的演变则进一步说明 了2012年的这种异常特征不仅是年际尺度的振荡, 更可能是前期演化基础上的一种量变到质变的调整. 关键词： 年代际 降水 北太平洋年代际涛动 东亚夏季风     

Probing anomalous relaxation by coherent multidimensional optical spectroscopy

We propose to study the origin of algebraic decay of two-point correlation functions observed in glasses, proteins, and quantum dots by their nonlinear response to sequences of ultrafast laser pulses. Power-law spectral singularities and temporal relaxation in two-dimensional correlation spectroscopy signals are predicted for a continuous time random walk model of stochastic spectral jumps in a two-level system with a power-law distribution of waiting times psi(t) approximately t;{-alpha-1}. Spectroscopic signatures of stationary ensembles for 1相似文献   

Trend of extreme precipitation events over China in last 40 years

Using the daily precipitation data of 740 stations in China from 1960 to 2000, the analysis on the variations and distributions of the frequency and the percentage of extreme precipitation to the annual rainfall have been performed in this paper. Results indicate that the percentage of heavy rains （above 25mm/day） in the annual rainfall has increased, while on average the day number of heavy rains has slightly reduced during the past 40 years. In the end of 1970s and the beginning of 1980s, both the number of days with extreme precipitation and the percentage of extreme precipitation abruptly changed over China, especially in the northern China. By moving t test, the abrupt change year of extreme precipitation for each station and its spatial distribution over the whole country are also obtained. The abrupt change years concentrated in 1978-1982 for most regions of northern China while occurred at various stations in southern China in greatly different/diverse years. Besides the abrupt change years of extreme precipitation at part stations of Northwest China happened about 5 years later in comparison with that of the country＇s average.     

Fractionally integrated process for transition economics

We analyze the European transition economics and show that many time series of major indices exhibit (i) power-law correlations in their values, (ii) power-law correlations in their magnitudes and (iii) an asymmetric probability distribution. Applying the phase randomization procedure to these time series, we show that magnitude correlations completely vanish. We propose a stochastic model that can generate time series with features (i), (ii) and (iii), and we show by means of numerical simulations that this model is capable of reproducing these three features found in the empirical data.     

长江中下游地区暴雨"积成效应"

采用1960–2011年中国740站日降水观测数据, 以长江中下游地区为切入点, 提出暴雨"积成效应"这一概念, 旨在将暴雨这一天气尺度强降水过程拓展为类似中长期天气尺度过程来考虑, 研究它对季节尺度降水的贡献及影响. 通过统计分析从持续时间(L_d)、控制面积(A_r)、降水贡献率(Q_s) 等三个角度建立暴雨"积成效应"概念及判定标准, 并进一步结合上述指标建立暴雨"积成效应"强度指数. 从这一角度出发, 探讨长江中下游地区暴雨"积成效应"与夏季降水的时空对应关系, 发现强度指数与同期夏季降水量的年际和年代际变化具有很好的一致性; 强弱指数年合成分布以及指数与中国东部夏季降水相关系数的空间分布呈现出类似于中国东部夏季雨带的分布形式; 而利用EOF分解对暴雨"积成效应"空间范围分类, 发现其与该地区夏季降水具有相似的4种空间型, 总体而言, 长江中下游地区暴雨"积成效应"造成的降水极大地影响甚至决定整个夏季降水的多寡及空间分布. 关键词： 长江中下游 暴雨 "积成效应" 夏季降水     

集合经验模态分解在区域降水变化多尺度分析及气候变化响应研究中的应用

集合经验模态分解(EEMD)是一种适用于非线性、非平稳序列的信号分析方法, 将EEMD 应用于气候要素时间序列, 可提取可靠真实的气候变化信号, 同时, EEMD可以得到气候变化的固有时间尺度.本文使用EEMD方法, 从气候时间序列中提取气候信号中各个尺度的变化, 对渭河流域过去50年来的秋季降水进行多尺度分析,结果显示, 对于20世纪70年代末80年代初的全球气候突变, 渭河流域的秋季降水也有很好的响应, 而且大尺度上的响应要早于中小尺度, 其中在大尺度上主要表现为波动形式, 即降水距平正负位相持续期的变化, 从持续正位相到正负位相周期性交替出现; 而在中小尺度上主要是振幅大小, 即降水距平正负位相量级的变化, 量级从相对较大变为相对较小再逐渐增大. 关键词： 集合经验模态分解 多尺度变化 秋季降水 渭河流域     

A design for a general digital filter for state estimation of an arbitrary stochastic sound system

This article describes a new attempt at the design of a general digital filter for the state estimation of a nonstationary nonlinear stochastic sound system. A recursive algorithm for estimating the higher-order statistics of arbitrary-function type, mean, and variance is obtained by introducing a new expansion form of Bayes' theorem. Further, the state probability density function (PDF) can also be estimated in a unified form of orthogonal or nonorthogonal series expansions by using these estimates. This method is widely applicable for cases where the random-noise fluctuation is non-Gaussian. The estimation algorithm proposed in this article agrees completely with a well-known Kalman filtering theory [J. Basic Eng. 82, 35-45 (1960); Kalman and Buchy, J. Basic Eng. 83, 95-108 (1961)], as a simplified special case when the stochastic system is of linear type with Gaussian random excitation. The validity and effectiveness of the proposed theory were confirmed experimentally by applying it to actually observed room acoustic data and road-traffic noise data.     

基于支持向量机方法对非平稳时间序列的预测

目前有关非平稳复杂系统及其在预测中的应用研究是一个较少被人理解并有重大科学意义的前瞻性研究课题.在大气运动中,气候正是一个典型的非平稳系统,但是现有的气候预测理论,包括统计预测理论和非线性预测理论,几乎都无一例外地建立在平稳性假定的基础之上,这有悖于气候过程的基本性质,它有可能是导致气候预测水平低下的重要的理论原因.因此以分析如何降低时间序列非平稳程度作为切入点来研究短期气候预测问题有着重要的理论意义.利用基于“升维”思想的支持向量机方法对时变控制参数条件下Lorenz系统产生的非平稳时间序列以及来自实际 关键词： 支持向量机 非平稳过程 预测     

基于支持向量机方法对非平稳时间序列的预测

目前有关非平稳复杂系统及其在预测中的应用研究是一个较少被人理解并有重大科学意义的前瞻性研究课题.在大气运动中,气候正是一个典型的非平稳系统,但是现有的气候预测理论,包括统计预测理论和非线性预测理论,几乎都无一例外地建立在平稳性假定的基础之上,这有悖于气候过程的基本性质,它有可能是导致气候预测水平低下的重要的理论原因.因此以分析如何降低时间序列非平稳程度作为切入点来研究短期气候预测问题有着重要的理论意义.利用基于“升维”思想的支持向量机方法对时变控制参数条件下Lorenz系统产生的非平稳时间序列以及来自实际     

基于模式误差分布特征的中国夏季旱涝预测可信度研究

基于美国气候预报中心组合降雨分析资料对国家气候中心海气耦合模式多年夏季降水预报误差进行统计分析,以揭示模式预报误差的分布规律及特征.研究发现,模式预报误差分布特征满足正态分布,基于误差分布特征分析模式对中国夏季降水的预测能力,通过误差分布的高斯拟合曲线特征对比模式预报与动力统计方法的预测技巧,进而得到动力统计方法改进误差分布特征的两种类型:1)变幅型改进;2)均值型改进.在此基础上,根据模式误差的统计特征提出了一种新的旱涝预测可信度计算方法,用于定量化地评估动力统计方法在不同地区的预测可信度大小,并应用于实际预测.最后以2012和2013年夏季降水为例,给出了实况、预测以及可信度检验.结果显示该方法能较好地反映出预测的不确定性,较其他检验方法更具针对性,对异常降水的预测可信度反映更为准确,验证了方法的有效性,可进一步提高动力统计方法的预测服务水平.     

高相干度超连续谱产生的理论研究

超连续谱的相干性直接影响到很多光学测量器件的分辨率及准确性, 如何获得高相干度的超连续谱是当前非线性光学领域的研究热点之一. 本文首先分析超连续谱产生的机理, 认为调制不稳现象是降低超连续谱相干性的重要因素. 因此抑制调制不稳定性, 利用其他非线性效应(如自相位调制)是得到高相干性超连续谱的有效方法. 最后设计了一种全波段正常色散光子晶体光纤,仿真结果表明, 在脉宽400 fs无啁啾高斯脉冲抽运, 50 cm长该光子晶体光纤的条件下, 产生的超连续谱具有在相对功率大于-80 dB的全波段高度相干的特性.     

Degree and wealth distribution in a network induced by wealth

A network induced by wealth is a social network model in which wealth induces individuals to participate as nodes, and every node in the network produces and accumulates wealth utilizing its links. More specifically, at every time step a new node is added to the network, and a link is created between one of the existing nodes and the new node. Innate wealth-producing ability is randomly assigned to every new node, and the node to be connected to the new node is chosen randomly, with odds proportional to the accumulated wealth of each existing node. Analyzing this network using the mean value and continuous flow approaches, we derive a relation between the conditional expectations of the degree and the accumulated wealth of each node. From this relation, we show that the degree distribution of the network induced by wealth is scale-free. We also show that the wealth distribution has a power-law tail and satisfies the 80/20 rule. We also show that, over the whole range, the cumulative wealth distribution exhibits the same topological characteristics as the wealth distributions of several networks based on the Bouchaud-Mèzard model, even though the mechanism for producing wealth is quite different in our model. Further, we show that the cumulative wealth distribution for the poor and middle class seems likely to follow by a log-normal distribution, while for the richest, the cumulative wealth distribution has a power-law behavior.     

Exploring the origins of the power-law properties of energy landscapes: An egg-box model

Multidimensional potential energy landscapes (PELs) have a Gaussian distribution for the energies of the minima, but at the same time the distribution of the hyperareas for the basins of attraction surrounding the minima follows a power-law. To explore how both these features can simultaneously be true, we introduce an “egg-box” model. In these model landscapes, the Gaussian energy distribution is used as a starting point and we examine whether a power-law basin area distribution can arise as a natural consequence through the swallowing up of higher-energy minima by larger low-energy basins when the variance of this Gaussian is increased sufficiently. Although the basin area distribution is substantially broadened by this process, it is insufficient to generate power-laws, highlighting the role played by the inhomogeneous distribution of basins in configuration space for actual PELs.     

近50年中国降水及温度变化在干旱形成中的影响

根据中国气象局1958—2007年194站的温度、降水和Palmer旱涝指数（Palmer Drought Severity Index, PDSI）均一化数据库,构建统计模型量化了温度和降水变化在干旱形成中所占的比重,尤其讨论了中国8个气候区域温度和降水变化在干旱成因中的特征.受全球增温趋势的影响,未来中国北方地区的干旱化趋势仍将继续.未来五年内干旱发生概率较大的地区主要分布在中国华北,且有持续向南扩张的趋势,一直延伸到江淮地区.在全球变暖的背景下,降水减少仍然是中国东部干旱形成的主要因素.相对于南方地 关键词： 降水 全球变暖 干旱