Lorenz系统长程相关性研究

以典型的混沌系统——Lorenz系统为研究对象,运用去趋势涨落分析方法对不同初值和不同参数条件下系统的长程相关性进行研究.结果表明：系统长程相关性与系统初值所处相空间位置有关,初值越靠近不稳定平衡点,系统长程相关性越强,其标度指数α就越大,系统可预测性也就越好.当系统完全处于混沌状态时,随着控制参数r逐步增大其动力学结构的混沌特性更加明显,标度指数α都呈下降趋势,系统长程相关性逐渐减弱,系统可预测性也随之减弱.这揭示了长程相关性与系统可预测性的对应关系.对系统进行 关键词： Lorenz系统 长程相关性 去趋势涨落分析 可预测性     

热带海洋与中低纬大气相互作用的信息传输特征分析

基于传递熵概念和方法定义气象场的信息源特征度、信息汇特征度和信息传输平衡特征度.使用海表温度和高度场资料计算海气相互作用过程中的信息传递.侧重分析赤道中东太平洋(20?S-20?N,170?E-100?W)与热带地区、北半球和南半球中高纬度地区大气之间的信息传递,给出信息传递的区域和全球分布特征;并提取海表温度指数和高度场指数分析赤道中东太平洋与大气信息传递特征的季节变化和年代际变化.研究结果表明,海洋信息源主要分布在热带地区,大气信息汇主要分布在中纬度地区,从热带地区到中纬度地区,海洋对大气的强迫作用在减弱,而大气对海洋的强迫作用在增强;不同区域不同层次的高度场对赤道中东太平洋海表温度有着不同的响应,热带中东太平洋上空高度场最大延迟为4个月.欧亚大陆中部上空和北美大陆上空高度场均随时间延迟呈现波动性变化:欧亚大陆中部上空高度场随时间延迟呈现增强的趋势,而北美大陆上空高度场随时间延迟呈现减弱的趋势.海表温度指数对热带中东太平洋上空850 hPa和欧亚大陆中部上空500 hPa高度场指数的传递熵以2000 s最弱,而海表温度指数对北美大陆上空700 hPa高度场指数的传递熵以2000 s最强.表明不同年代际背景下不同区域大气对赤道中东太平洋海表温度异常的响应是不同的.然而不同季节的响应却十分相似:冬季最强,秋季次之,春季再次,夏季最弱.     

东亚地区大气环流的季节划分及其时空变化特征

利用NCEP-DOE Reanalysis 2 1979-2009年位势高度场、温度场、湿度场和风场逐日再分析资料,采用考虑面积权重的区域多要素最优分割法,对东亚地区大气环流的季节进行划分,并分析了四季起始时间的时空变化特征.研究结果表明:1)东亚地区春季最早始于中高纬地区的平流层和副热带的对流层中下层;夏季最早始于中高纬的平流层和副热带、中纬度地区的对流层中上层;秋、冬季开始最早的地区集中在东亚地区东部和东北部的对流层中低层,以及中高纬的平流层. 2)季节变化与环流形势密切相关,且对流层各个层次的夏季和冬季起始时间的分布均有较好的垂直一致性,平流层与对流层各季节起始时间分布有较大的差异性,平流层中层和下层也并不一致. 3)华北地区四季平均起始时间距平序列的逐年演变特征表明近30年该地区出现了6个四季起始时间异常偏早的年份,与El Niño活跃年份相一致,反映了海温等外强迫对大气环流季节变化的影响. 关键词： 季节划分 东亚地区 区域多要素最优分割法     

基于长程相关性特征的北京气候中心气候系统模式对中国气温的模拟性能评估

传统对数值模式模拟效果的评估主要是基于均值、趋势、概率密度分布、极值等方面的特征比较模拟要素与观测值的差异或是通过分析模拟值与观测值之间的相关性来定量判断.这类评估方法主要考虑了模式模拟结果与观测资料在统计上的差异,缺乏对两者在动力学特征上的比较.鉴于此,本文基于气象观测资料演变过程中所展现的长程相关性特征,利用去趋势波动分析方法对观测资料和模式模拟数据进行标度分析,研究模式模拟结果是否具有类似于观测资料中的长程相关性特征,进而通过比较观测资料和模式模拟结果的标度指数,从大气演变的内在动力学特征上对模式模拟性能进行评估.本文对北京气候中心气候系统模式对中国地表气温的模拟性能进行了评估,结果表明,该模式能够较好地反映出中国区域气温要素的长程相关性特征,对东北、西北中东部、江淮、江南东部等地模拟效果较好,但对于青藏高原地区及西北大部、华北、黄淮等地的模拟效果相对较差,其中对青藏高原地区和西北西部的模拟效果最差.     

全球温度场信息熵的时空特征分析

本文基于信息熵理论定义气象要素信息熵,并运用其分析全球温度场在不同时空尺度上偏离气候态(1971—2000)的不确定性. 研究结果表明:1)温度场气候态信息熵(CE)具有明显的纬向分布特征,总体表现为温度场CE由低纬度地区向中高纬度地区递增,且海陆差异显著,可以较好地区分各个气候带;其垂直变化,在低纬度地区表现为随高度的升高而增加,但在中高纬度地区则以300hPa为界呈准对称分布,在此高度之上其值随高度升高而增加,之下则相反,这一特征在高纬度地区更为明显.2)温度场月信息熵(ME)的季节性差异显著,总体表 关键词： 信息熵 温度场 可预测性     

混合交通流时间序列的去趋势波动分析

应用去趋势波动分析法研究交通流时间序列的复杂性,探讨了混合交通流时间序列演变行为的标度指数.根据标度指数的变化特征,进而揭示交通流时间序列所具有的长程相关性和短程相关性.通过分析发现,存在一密度ρ,当ρ₁<ρ<ρ₂时,交通流时间序列具有长程相关性;而当ρ<ρ₁或ρ>ρ₂时,交通流时间序列具有短程相关性,即密度的变化影响着标度指数的变化.另外分析了在不同慢车比率条件下时间序列的标度指数,发现慢车比率的变化 关键词： 混合交通流 去趋势波动分析 时间序列 长程相关     

毫米波辐照下大鼠脑电的长程相关性

通过脑电长程相关性的分析,定量研究了35 GHz毫米波辐照大鼠时产生的应激反应.通过退趋势分析法,得到反映高频成分的标度指数.显示在辐照前该成分具有布朗噪声的特性,辐照时具有长程相关性;而反映低频成分的标度指数显示在辐照前该成分具有长程相关性,辐照时成为布朗噪声.引进应激指标参量低频成份标度指标数/高频成份标度指标数,...     

北京气候中心气候系统模式对中国四季日平均气温的模拟性能评估

利用去趋势波动分析方法对中国四季日平均气温观测资料进行了研究, 发现四季日平均气温均具有很好的长程相关性特征, 中国西部地区尤其是新疆和西藏的长程相关性较强. 基于观测资料中的这种长程相关性特征, 评估了北京气候中心气候系统模式对中国四季日平均气温的模拟性能, 发现该模式能够较好地反映中国四季日平均气温的长程相关性特征. 总体而言, 模式对春季的日平均气温的长程相关性模拟效果最好, 仅对江南地区的长程相关性的模拟较差; 夏季, 模式模拟误差较大的地区包括中国中东部地区及西藏大部, 其中华北南部、黄淮西部、江南大部、华南等地模拟效果最差; 秋季, 模式对东部沿海及东北大部、华北西南部等地模拟的长程相关性偏强, 而在西北大部模拟的长程相关性明显偏弱; 冬季, 除东部沿海地区模拟的长程相关性偏强外, 全国其余大部分地区接近观测或偏弱, 其中西北、西南、华南北部、江南南部、东北北部偏弱明显, 青藏高原西部偏弱最为显著.     

气象领域极端事件的长程相关性

利用固定阈值法研究了Lorenz系统极端事件序列的长程相关性特征.研究结果表明：不同阈值标定的极端事件序列具有长程相关性,且标度指数α比较接近,但都比Lorenz系统略小.不同的初值对极端事件序列的长程相关性影响不大,即对初值不敏感性,但Lorenz系统的长程相关性随着控制参数的增大而明显减弱.通过与高斯白噪声序列对比研究发现,Lorenz系统极端事件序列具有较好的记忆性特征.最后采用国家气候中心194个测站1957年—2004年日最高气温观测资料进行分析,揭示了实际气象要素中存在类似的规律. 关键词： Lorenz系统 极端事件 长程相关性 记忆性     

极端事件再现时间长程相关性与群发性研究

利用百分位阈值方法定义极端事件,从极端事件再现时间的角度,研究了极端事件发生时间间隔的长程相关性.发现若原时间序列具有长程相关性,则它的极端事件再现时间序列也具有长程相关性,计算表明两者的标度指数α相当接近,这一特性与随机产生的再现时间序列有着本质的差别,再现时间序列的长程相关性是由原序列的长程相关性决定的.具有长程相关性的时间序列再现时间的概率分布明显不同于随机序列,其小值再现时间的概率较大,反映出极端事件的群发现象.本文根据这一特征定义了再现时间的群发性指数,发现时间序列的长程相关性是导     

石墨烯量子霍尔平台与平台之间转变的标度律关系

在2到50 K温度范围内测量了单层石墨烯量子霍尔平台与平台之间转变的标度律关系. 发现石墨烯的标度律指数κ不是普适的,在低温段的κ大约是0.13,在高温段的κ大约是0.33. 这一结果进一步验证了石墨烯中长程散射的主导地位. 关键词： 石墨烯 量子霍尔效应 标度律     

Effect of coarse-graining on detrended fluctuation analysis

Several studies have investigated the scaling behavior in naturally occurring biological and physical processes using techniques such as detrended fluctuation analysis (DFA). Data acquisition is an inherent part of these studies and maps the continuous process into digital data. The resulting digital data is discretized in amplitude and time, and shall be referred to as coarse-grained realization in the present study. Since coarse-graining precedes scaling exponent analysis, it is important to understand its effects on scaling exponent estimators such as DFA. In this brief communication, k-means clustering is used to generate coarse-grained realizations of data sets with different correlation properties, namely: anti-correlated noise, long-range correlated noise and uncorrelated noise. It is shown that the coarse-graining can significantly affect the scaling exponent estimates. It is also shown that scaling exponent can be reliably estimated even at low levels of coarse-graining and the number of the clusters required varies across the data sets with different correlation properties.     

利用Landsat热红外数据研究1985年—2015年北京市冬季热场分布

由于北京城市中心区冬季供暖、汽车尾气、工业生产等因素的影响,以及冬季植被覆盖减少导致地表热惯量降低,致使北京市冬季地表热场与其他季节差异明显。冬季城市热场分布直接影响冬季大气颗粒物等污染物的扩散速度,因此,研究热场分布对了解城市热场在大气颗粒物污染中的贡献具有重要的意义。首先利用MODTRAN大气辐射传输模型计算大气透过率、大气上行辐射与大气下行辐射三个关键参数,通过构建查找表解算热红外波段辐射传输方程。使用数据模拟的手段评价了该方法的精度,结果表明,当比辐射率和水汽分别在±0.005和±0.6的误差范围内波动时,温度反演的误差分别小于0.348和2.117 K,表明该方法可达到较高的反演精度。选择长时间序列Landsat TM、ETM+数据,进行地表温度反演,得到1985年—2015年北京市的地表温度。基于反演的地表温度分析了北京市热场的时空分布。结果表明,北京冬季热场分布在空间上可分为四个层次：北京市二环内温度较高、二环到五环内低温环状特征明显、外围郊区温度高以及北京西部的山区温度最低;随着近30年来北京市的快速发展,热场分布在长时间序列中发生了明显的改变：随着北京城市的不断扩张,环状低温区域也不断扩大,从三环扩展到六环;城市二环以内热岛效应随时间推移而增强,且分布范围扩大。     

Preservation of long range temporal correlations under extreme random dilution

Many natural time series exhibit long range temporal correlations that may be characterized by power-law scaling exponents. However, in many cases, the time series have uneven time intervals due to, for example, missing data points, noisy data, and outliers. Here we study the effect of randomly missing data points on the power-law scaling exponents of time series that are long range temporally correlated. The Fourier transform and detrended fluctuation analysis (DFA) techniques are used for scaling exponent estimation. We find that even under extreme dilution of more than 50%, the value of the scaling exponent remains almost unaffected. Random dilution is also applied on heart interbeat interval time series. It is found that dilution of 70%-80% of the data points leads to a reduction of only 8% in the scaling exponent; it is also found that it is possible to discriminate between healthy and heart failure subjects even under extreme dilution of more than 90%.     

滑动移除重标方差在动力学结构突变检验中的应用

标度指数是一个有效的非线性动力学指数,能够针对相关性时间序列动力学结构突变进行检测;通过滑动窗口技术和滑动移除窗口技术,重标极差对于相关时间序列动力学突变具有很好的检测能力,但由于重标极差方法本身的不完善,在滑动移除窗口较小时其检测结果出现一些虚假的突变点和突变区间.鉴于此,本文提出了一种新的动力学检测方法—–滑动移除重标方差.理想序列数值试验表明,滑动移除重标方差具有很强的稳定性和准确性,在滑动窗口较小时其检测结果没有出现虚假的突变点和区间,实测资料的应用进一步验证了新方法的可靠性.     

西藏地区近地晴天大气电场气象效应和时间变化研究

基于西藏羊八井宇宙线观测站在2006年3月至2011年6月期间记录的近地大气电场数据, 分析研究了该地区近地晴天大气电场气象效应和时间变化特征. 气象效应分析结果显示, 该地区近地晴天大气电场与三个气象参量(大气压强、温度和相对湿度)的长时间变化趋势基本一致, 并有明显的季节效应. 冬春季, 大气电场强度整体水平相对较低, 约为0.14 kV/m; 夏秋季, 电场强度水平相对较高, 为0.18 kV/m左右. 近地晴天大气电场强度与大气温度间的线性相关性最强, 拟合相关系数达到0.89; 与大气压强和相对湿度间的线性相关性相对较弱, 拟合相关系数依次为0.43和0.53. 傅里叶分析结果表明: 晴天大气电场时间变化受太阳日周期、半太阳日周期及其三、四次谐波分量调制作用, 调制强度依次减弱. 西藏地区近地晴天大气电场日变化特征呈大陆简单型, 即双峰双谷. 主、次峰谷分别出现在白天和夜间, 主峰谷出现的早晚因季节不同略有差异, 次峰谷出现的早晚因季节不同差异相对较大.     

Heterogeneous relaxation patterns in supercooled liquids studied by solvation dynamics

We have measured the solvation dynamics of a dipolar supercooled liquid near its glass transition in a temperature range in which the average structural relaxation time varies more than four orders of magnitude. The analysis of the time dependent average emission energy and the inhomogeneous linewidth of the S0<--T1(0-0) transition reveals that the orientation correlation decay pattern intrinsic in each relaxing unit is associated with a stretching exponent beta(intr)=1.00+/-0.08 in the entire range T(g)(KWW) the individual time constants remain correlated to their initial values at t=0.     

Phase transition of the two-dimensional classicalXY-model

The two dimensional classicalXY-model, representative for two dimensional models with continuous symmetry, is shown to undergo a phase transition of continuous order in a low temperature region. In particular: 1. The correlation functions decay with a power law at large distance in a temperature range belowT′ with a characteristic singular exponentη which varies continuously between 0 and ∞; 2. For magnetic fieldB → 0 the free energy develops a singular part in the form of a power with a singular exponentκ which varies continuously between 1 and ∞ atT _∞ (<T′); 3. The singular exponentsκ, η, and a correlation length exponent are related to one another by scaling laws and are determined by a dispersion coefficient for low lying excitations.