基于启发式分割算法检测华北和全球气候变化的特征

全球变化已成为当代科学界瞩目的新领域，气候变化是其研究的核心内容之一，它受到各国政府的极大重视.气候突变是气候变化的重要表现形式之一，目前对气候突变的研究主要针对代用资料，运用传统的统计学方法进行处理，尽管取得了不少进展，但气候系统的非线性、多层次性和非平稳性对分析和检测气候突变的方法提出了较高的要求.众所周知，气候系统可能是由多个不同区域气候子系统构成的复杂体系，因而局地和全球气候变化之间必然存在一定的内在联系，但目前关于这方面研究的理论和方法还较少.介绍了一种适合非线性和非平稳时间序列的突变检测新方法 关键词： 突变 启发式分割算法 人为变率 小冰期 全球变化     

非线性动力学方法在气候突变检测中的应用

快速、准确的检测气候突变, 对于我们认识气候系统的变化和对未来气候系统演变趋势的预测有着重要的现实意义和社会经济价值. 本文主要回顾了近年来非线性突变检测技术的主要研究进展及其在实际观测资料中的应用, 其中包括基于气候系统长程相关性的检测方法, 如滑动去趋势波动分析方法、滑动移除去趋势波动分析方法、滑动移除重标极差方法和指纹法等; 以及基于时间序列复杂性的检测方法, 如近似熵方法, Fisher信息和小波Fisher信息等. 此外, 本文还指出发展针对空间场的突变检测技术是未来一个可能的发展方向. 由于空间场所包含的气候系统的演变信息远高于单点时间序列, 空间场的突变检测技术将会使得对气候突变的检测时间大大缩短, 从而使得人们有足够的时间去采取行动, 以便为适应气候突变所带来的新挑战做好准备.     

气候代用资料动力学结构的区域与全球特征

介绍一种非线性时间序列分析方法——动力学相关因子指数Q(简称Q指数)，是基于相空间重 构技术的动力学指标，它能有效识别时间序列之间动力结构的异同性.利用该方法分析了几 种典型代用资料的动力学结构，发现它们的演变特征基本相似，区域和全球范围的气候同步 变化，区域气候受到全球气候系统制约.近2000年来的区域到全球气候系统有两个明显动力 结构突变期：700—900a和1300—1700a，它们所对应的环境变化可能是中世纪暖期和现代小 冰期事件. 关键词： 气候代用资料 动力学相关因子指数 动力学结构 小冰期 中世纪暖期     

交通流突变点的无标度特征分析

交通流时间序列在不同时间尺度上具有不同的波动特征.为了分析交通流的突变特征,以一段实际的交通流量序列为研究对象进行实证研究.采用小波变换的方法求得交通流在不同尺度上的突变点,按照小波函数过零点数目将交通流的尺度划分为若干层次,并分析了交通流突变的层次性.计算表明:以突变点数目为测度时,在一定的尺度范围内,交通流在突变层次上的突变点数目满足自相似性特征.因此,交通流的突变在不同尺度上具有无标度性.     

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     

非线性时间序列的动力结构突变检测的研究

基于非线性时间序列分析方法——动力学相关因子指数，提出一种新的动力结构突变的检测方法——动力学指数分割算法.通过理想时间序列试验，验证了该方法检测动力结构突变的有效性，同时发现相对少量的尖峰噪声对该方法的影响较小，但连续分布的随机白噪声对其具有一定的影响，并与传统的滑动T检验法和Yamamoto法进行比较，进而讨论它们各自的优缺点. 关键词： 动力学相关因子指数 动力学指数分割算法 噪声 滑动T检验 Yamamoto法     

基于复杂网络的北半球遥相关 年代际变化特征研究

基于北半球中高纬度环流系统关联网络, 研究了冬季北半球各种遥相关年代际尺度的变化特征及其与气候突变的可能联系等. 研究结果表明, NAO, EUPA和WP 等遥相关的作用中心在1970年代中后期和1990年代初期均对应有显著的跃变过程, 且主要空间模态也发生一定的变化. 结合网络顶点度, 定义直接体现遥相关作用强弱的指数并分析其随时间的变化:1980年代以前以PNA, EUPA和WP三种模态的共同作用为主导, 1980年代以后NAO的作用显著增强, 1987年以后AO的作用显著增强, 其他模态的作用则相对较弱. 因此, 多种遥相关年代际尺度的调整可能是1970年代中后期和1990年代初期气候突变的重要表现形式之一.     

试用临界慢化原理探讨气候突变

近年来, 临界慢化现象在揭示复杂动力系统是否趋向于临界性灾变方面展示了重要潜力. 本文基于临界慢化的理念, 着重研究不同噪声影响下, 气候突变前兆信号出现的时间; 对含有不同噪声的气温观测资料、太平洋年代际振荡指数以及阿留申低压强度资料进行处理, 研究突变的前兆信号. 以20世纪70年代末80年代初这次气候突变为例, 分别计算了表征临界慢化现象的方差和自相关系数. 结果表明, 临界慢化现象出现在具有不同信噪比的资料中, 这表明临界慢化现象可能是气候突变发生前的一个前兆信号, 并且噪声对气候突变前兆信号的检测结果影响较小, 从而论证了临界慢化现象检测突变前兆信号的可靠性, 为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了实验基础.     

基于复杂度分析冰芯和石笋代用资料时间序列的研究

运用动态非线性时间序列分析方法——Lemper-Ziv复杂度，分别计算了古里雅冰芯资料和北 京石花洞石笋资料的复杂度，探讨了复杂度的物理内涵及其在气候变化研究中的意义；小波 多尺度分解分析表明，复杂度序列具有明显的特征周期，存在780年、380年、160年和105年 的准周期.进一步研究发现，当取不同的窗口长度时，复杂度序列的特征基本相同；并且复 杂度序列的突变和气候突变在时间尺度上有着较好的对应关系.揭示了近千年来，在380年时 间尺度上的准周期振荡，其振幅一直是在减弱的，而且其固有周期频率逐渐减小.1900年复 杂度开始持续下降，1920年之后变化很小，类似于中国6世纪中期及12世纪中期的变暖期， 因此造成20世纪气候变暖的原因还有待于深入研究. 关键词： Lemper-Ziv复杂度 小波变换 气候 自然变率     

利用高阶矩检测近2000年来气候极端异常的研究

基于标准化后的高分辨率气候代用资料，应用高阶矩分析方法检测近2000年来气候极端异常演变特征；同时结合滤波方法进行具有物理背景的层次分离，进而研究了各时间层次气候极端异常变化信息及其贡献.结果表明：1) 在100年以上的时间层次上，可能存在千年左右的气候变化振荡周期，而且20世纪是近2000年来气候极端异常现象最为活跃的时段，可能对应于气候极端异常现象活跃期.2)对于20—60年这一时间层次，公元300—1100年间气候极端异常现象比较明显，而公元1100—1980年间相对比较缓和；该层次对20世纪的气候异常没有显著贡献.世纪以上和20—60年时间层次均揭示出在近2000年的气候变化中，公元1100年前后可能是一个气候极端异常现象演变的关键转折时期.3)在年际尺度上(小于20年)，北京石花洞石笋微层厚度时间序列中发生气候极端异常现象的年份与出现E1 Ni?o事件和La Ni?a事件的年份有非常好的对应关系(仅讨论公元1960—1980年).4)高阶矩分析方法对于检测气候极端异常分布及演变规律有较好的应用前景. 关键词： 高阶矩 气候异常 极端事件 层次     

Analysis of precipitation characteristics of South and North China based on the power-law tail exponents

Precipitation sequence is a typical nonlinear and chaotic observational series, and studies on precipitation forecasts are restricted to the use of traditional linear statistical methods, especially when analysing the regional characteristics of precipitation. In the context of 20 stations＇ daily precipitation series （from 1956 to 2000） in South China （SC） and North China （NC）, we divide each precipitation series into many self-stationary segments by using the heuristic segmentation algorithm （briefly BG algorithm）. For each station＇s precipitation series, we calculate the exponent of power-law tall （EPT） of the cumulative probability distribution of segments with a length larger than l for precipitation and temperature series. Our results show that the power-law decay of the cumulative probability distribution of stationary segments might be a common attribution for precipitation and other nonstationary time series; the EPT somewhat indicates the precipitation duration and its spatial distribution that might be different from area to area. The EPT in NC is larger than in SC; Meanwhile, EPT might be another effective way to study the abrupt changes in nonlinear and nonstationary time series.     

一种基于Logistic模型的突变过程性分析方法及其应用

传统突变检测方法往往将突变检测的关键放在"突变点"上而忽略突变事件发生、发展乃至消亡的过程. 本文提出一种新的检测突变过程的方法, 其基于Logistic模型推导出能够反应均值突变过程的分段函数, 利用分段函数对实际时间序列进行参数提取, 借助参数的物理意义, 研究分析完整的突变过程, 从而加深对突变过程性的理解和认识, 为进一步研究突变的形成机理、影响因素乃至发展趋势奠定重要的科学基础. 文章还对太平洋年代际振荡 (PDO) 指数进行突变过程性检测, 发现1940/1942, 1977, 1987年开始序列发生突变, 突变持续时间锁定在某些固定值, 并且系统相图表明一般性系统存在三种基本的状态. 关键词： 均值突变 参数提取 突变过程 突变持续时间     

利用排列熵检测近40年华北地区气温突变的研究

运用一种新的动力学突变检测方法——排列熵(permutation entropy，PE)算法，计算并分析了中国华北地区52个站点1960年—2000年逐日平均气温资料的排列熵演化情况，发现中国华北地区气温在20世纪70年代中期、80年代初均发生了较大突变；进一步用经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)方法对排列熵序列进行逐级平稳化处理，结果发现这一地区的气温突变与准10年这一年代际时间尺度的周期变率密切相关，其原因与太阳黑子活动有着密切联系. 关键词： 华北 突变 排列熵算法 经验模态分解     

基于概率密度分布型变化的突变检测新途径

对于一个稳定的动力系统而言,系统变量的概率密度具有较为稳定的分布型,而当系统的动力学结构发生变化后可能会导致系统变量的分布型发生不同程度的变化.鉴于此,本文从识别系统变量的概率密度分布的微小变化角度出发,将描述时间序列概率分布特征的偏度系数和峰度系数应用于时间序列的突变检测中.数值试验结果表明,偏度系数和峰度系数对突变信号具有很好的识别能力,进而揭示了一条检测突变的新途径.进一步的研究表明,新方法的检测结果对于子序列长度的选择具有较小的依赖性.     

近似熵检测气候突变的研究

引入近似熵方法应用于理想时间序列,检验了该方法具有区别不同动力学结构和检测其突变的特性.然后应用于中国气象局国家气候中心740站点1960—2000年的逐日气温和降水观测资料.分析结果表明,温度和降水分布存在明显的区域分布特征,反映出气候系统动力学结构区域间的差异;在20世纪70年代末到80年代初各站点具有不同程度的突变现象,说明了突变时空分布的不均一性以及气候系统演化的复杂性. 关键词： 气候突变 温度 降水 近似熵     

中国不同区域气候突变的前兆信号

近年来, 临界慢化现象在揭示复杂动力系统是否趋向于临界性突变方面展示了重要潜力. 在此基于临界慢化的理念, 对含有不同噪声的中国一级气象地理区划的11大区域的气温观测资料进行处理, 研究气候突变的前兆信号. 首先利用Mann-Kendall (M-K)方法准确的找出各个区域的突变位置, 然后计算了表征临界慢化现象的自相关系数以此寻找气候突变前兆信号, 并研究了不同噪声对气候突变前兆信号的影响. 结果表明, 针对不同的信噪比、不同区域的气温资料在气候突变发生前5–10年均出现了自 相关系数增大的临界慢化现象, 临界慢化现象可能是气候突变发生前的一个前兆信号; 噪声对气候突变前兆信号的检测结果影响较小, 论证了临界慢化现象检测突变前兆信号的可靠性, 为该方法在实际观测资料中的应用提供了实验基础. 关键词： 气候突变 临界慢化 M-K方法 前兆信号     

滑动去趋势波动分析与近似熵在动力学结构突变检测中的性能比较

近似熵（ApEn）被认为是一种有效的动力学结构突变检测方法. 将一种新的动力学结构检测方法——滑动去趋势波动分析（MDFA）与ApEn的检测结果进行了比较,检验了新方法的性能. 结果表明,新方法的检测结果几乎不依赖于子序列的长度,而ApEn虽然能在一定程度上识别系统的动力学结构突变,但其检测结果依赖于子序列长度,且不能准确地检测出突变点的位置. 因此,相对于ApEn方法而言,MDFA方法更适合于动力学结构突变检测,其优越性是显而易见的. 关键词： 滑动去趋势波动分析 近似熵 动力学结构突变