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     

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     

试用Lyapunov指数探讨气候突变及其前兆信号

Lyapunov 指数是标志一个系统做规则运动还是混沌运动的一个重要物理量.鉴于此, 本文利用Lyapunov指数研究系统的混沌特性, 研究气候的突变.计算结果表明, 定义法求得的Lyapunov指数是一种可靠的突变检测方法, 无论是理想序列还是实际存在突变的序列, 利用该方法都能准确地找出突变位置; 而利用非线性局部Lyapunov指数的可预报期限从理论上佐证了基于临界慢化现象的气候突变前兆信号的可靠性, 通过计算各个时间段的最大Lyapunov指数能够反映系统的内在性质、研究其混沌特性. 研究结果为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了理论基础. 关键词： Lyapunov指数 气候突变 前兆信号     

利用单分子光学探针测量幂律分布的聚合物动力学

研究聚合物薄膜纳米尺度的动力学特性对于高性能材料的制备具有重要的意义.本文利用尼罗红单分子作为光学探针吸附在聚丙烯酸甲酯(PMA)聚合物链上,研究该聚合物薄膜的动力学特性.通过单分子散焦宽场荧光成像显微镜技术测量了单分子随PMA聚合物链转动弛豫的三维再取向特性,当环境温度高于PMA的玻璃点温度19 K时,发现处于PMA聚合物薄膜中的单分子光学探针的转动态和非转动态的持续时间概率密度服从指数截止的幂律分布.研究结果表明该温度下PMA聚合物薄膜的纳米环境动力学仍存在空间和时间异构性.     

基于改进的对数周期幂律模型研究中国股市崩盘预警

基于金融物理学中著名的对数周期幂律模型(log-periodic power law model, LPPL)来预警2015年6月份中国上证综合指数、创业板指数的崩盘.鉴于已有采用LPPL模型预警市场崩盘的研究均只考虑市场历史交易数据.本文将投资者情绪因素纳入到LPPL模型建模过程,以改进LPPL模型的预警效果.采用文本挖掘技术结合语义分析方法对抓取的财经媒体的股评报道进行词频统计,以构建媒体情绪指数.进一步修改LPPL模型中的崩溃概率函数表达式,将其表示为关于历史交易数据及媒体情绪的函数,构建LPPL-MS组合模型预警股市崩盘.实证结果表明,本文所构建的LPPL-MS组合模型相比LPPL模型具有更高的预警精度,其预测的大盘见顶的临界时点与上证指数、创业板指数真实的见顶时点更为接近,并且其拟合结果通过了相关检验.     

中国近58年温度极端事件的区域特征及其与气候突变的联系

运用动力学自相关因子指数Q分析中国温度的时空变化特征,得到8个不同的动力学温度变化特征区：准噶尔区、 东北区、西北区、西南东区、西南西区、华北区、东南区和中南区.初步讨论了这些特征区的年均温度变化和极端温度年出现天数及其与温度突变的关系,以及不同温度段对中国近58年增暖的可能影响.研究结果表明：（1）准噶尔区、东北区等7个温度特征区近58年的年均温和极端高温的年出现天数均表现为增长趋势,极端低温天数则为降低趋势,极端高温的变化与温度增暖呈正相关,与极端低温则呈负相关.同时,北方涛动、南方涛动 关键词： Q指数')" href="#">Q指数 温度段 极端温度 温度突变     

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     

标准化降水蒸发指数的改进与适用性评价

针对标准化降水蒸发指数中Thornthwaite方法对干旱区估算误差较大的问题, 采用FAO Penman-Monteith方法计算潜在蒸发, 改进标准化降水蒸发指数计算方法. 应用1961–2013 年全国541个气象站点逐日观测资料, 从分布检验以及与标准化降水指数、Palmer干旱指数、实测土壤湿度等常用干旱指标一致性校核等方面, 评估改进前后标准化降水蒸发指数在区域和季节上的适用性. 结果表明: 改进蒸发能力计算方法能够显著提高标准化降水蒸发指数的区域和季节适用范围, 使标准化降水蒸发指数能够应用于全国不同季节的干旱评估, 改进了干旱区标准化降水蒸发指数冬季适用性不高的不足, 改进后的标准化降水蒸发指数在年尺度及月尺度上的干旱评估能力均得到改善, 满足我国以季节性干旱为主的干旱评估需求.     

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     

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.     

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.     

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     

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.     

基于Fisher信息理论的突变检测新方法

自然界许多复杂系统的动力学结构因其受外强迫的作用, 常常会发生与人类生活密切相关的突变. 对突变做出准确预测并采取相应对策的有效途径就是检测. Fisher信息(FI)是一种能够敏锐捕捉并刻画系统变量的概率密度分布发生微小变化的量; 而当系统的动力学结构发生突变时, 来自突变前后两种不同动力学结构的数据其概率密度分布肯定会发生不同程度的改变. 基于此,本文将它用于检测和识别系统动力学结构所发生的突变, 以一种全新的思路来解决突变检测问题. 首先通过理想数据序列展示了使用FI来表征各种不同类型理想信号突变的能力. 进而应用于中国气象局国家气象信息中心“西北地区地面气候资料日值数据集”兰州站1960–2008年日平均气温资料的实际检测中, 结果表明与已有历史记载相符合, 进一步验证了该方法的有效性和实用性. 关键词： Fisher信息 动力学结构 突变检测 概率密度分布     

一种基于重标极差方法的动力学结构突变检测新方法

提出了一种针对相关性时间序列动力学结构突变检测的新方法——滑动移除重标极差分析.数值试验表明,新方法能够准确的检测出理想序列中的动力学结构突变,其检测结果对于子序列的长度依赖性较小,而且具有很强的抗噪能力,弥补了滑动去趋势波动分析的不足. 关键词： 标度指数 滑动移除重标极差分析 滑动去趋势波动分析 动力学结构突变     

Detection and attribution of abrupt climate changes in the last one hundred years

Based on physical backgrounds, the four time series of the Guliya （Tibetan plateau） ice core （GIC） 5180, and three natural factors, i.e. the rotation rate of earth, sunspots, and E1 Nino-Southern Oscillation （ENSO） signals, are decomposed into two hierarchies, i.e. more and less than 10-year hierarchies respectively, and then the running t-test is used to reanalyse the data before and after filtering with the purpose of investigating the contribution of natural factors to the abrupt climate changes in the last one hundred years. The results show that the GIC 5180 evolved with a quasi-period of 7-9 years, and the abrupt climate changes in the early 1960s and in the period from the end of the 1970s to the beginning of the 1980s resulted from the joint effect of the two hierarchies, in other words, the two interdecadal abrupt changes of climate in the last one hundred years were global. The interannual variations of ENSO and sunspots were the important triggering factors for the abrupt climate changes in the last one hundred years. At the same time, the method of Information Transfer （IT） is employed to estimate the contributions of ENSO signals and sunspots activities to the abrupt climate changes, and it is found that the contribution of the interannual variation of ENSO signals is relatively large.