基于临界慢化现象的气候突变前兆信号的初步研究

近年来,临界慢化现象在揭示复杂动力系统是否趋于临界性灾变方面展示了重要潜力.基于临界慢化的理念,研究了气候突变的早期预警信号.针对20世纪70年代末80年代初的气候突变,对全国月平均温度资料和太平洋年代际振荡(PDO)指数进行分析,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,气候发生突变前,全国月平均温度和PDO指数都存在明显的临界慢化现象,这表明临界慢化现象可能是气候突变发生前的一个早期信号.将临界慢化理论用于气候突变前兆信号的研究,对深入认识气候突变和捕捉气候突变前兆信号都具有重要的现实意义和科学价值.     

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     

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     

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.     

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.     

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     

不同荷载下高温超导磁悬浮系统的动态响应

针对YBCO块材和NdFeB永磁体构成的高温超导磁悬浮系统,研究了永磁体在不同荷载时系统的动态响应特性.实验结果表明,当振动频率较低时,悬浮系统动态响应与外加激励信号一致,外加荷载的改变对系统响应基本无影响.随着频率的增加,外加荷载对系统的影响明显增强.荷载越大,系统的抗干扰能力越强.这对高温超导磁悬浮系统的应用有一定...     

滑动移除小波分析法在动力学结构突变检验中的应用

标度指数计算的即时性与准确性对相关时间序列的动力学结构突变分析至关重要,然而现有方法在即时性与准确性上一直无法兼顾.将小波分析方法与滑动移除窗口技术相融合,提出一种新的动力学结构突变检测方法——滑动移除小波分析法.通过选取不同的滑动移除窗口,分别对构建的线性、非线性理想时间序列进行动力学结构突变分析,结果表明不论是线性时间序列还是非线性时间序列,滑动移除小波分析能够准确地检测到序列的动力学结构突变点及突变区间,对于滑动移除窗口长度依赖性较小,具有很强的稳定性,而且在计算速度上明显优于滑动移除重标极差和滑动移除方差分析方法,将在大数据处理中具有一定的优势.同时分别对线性、非线性理想时间序列添加高斯白噪声,结果表明滑动移除小波分析具有很强的抗噪能力,能够准确地检测到加噪后序列的突变点.对佛坪站日最高温度实测资料的动力学结构突变的准确检测进一步验证了该方法的有效性.滑动移除小波分析法可为具有相关性的系统动力学结构突变的快速、准确检测提供一种途径.     

A study of the early warning signals of abrupt change in the Pacific decadal oscillation

In recent years, the phenomenon of a critical slowing down has demonstrated its major potential in discovering whether a complex dynamic system tends to abruptly change at critical points. This research on the Pacific decadal oscillation(PDO) index has been made on the basis of the critical slowing down principle in order to analyze its early warning signal of abrupt change. The chaotic characteristics of the PDO index sequence at different times are determined by using the largest Lyapunov exponent(LLE). The relationship between the regional sea surface temperature(SST) background field and the early warning signal of the PDO abrupt change is further studied through calculating the variance of the SST in the PDO region and the spatial distribution of the autocorrelation coefficient, thereby providing the experimental foundation for the extensive application of the method of the critical slowing down phenomenon. Our results show that the phenomenon of critical slowing down, such as the increase of the variance and autocorrelation coefficient, will continue for six years before the abrupt change of the PDO index. This phenomenon of the critical slowing down can be regarded as one of the early warning signals of an abrupt change. Through calculating the LLE of the PDO index during different times, it is also found that the strongest chaotic characteristics of the system occurred between 1971 and 1975 in the early stages of an abrupt change(1976), and the system was at the stage of a critical slowing down, which proves the reliability of the early warning signal of abrupt change discovered in 1970 from the mechanism. In addition, the variance of the SST,along with the spatial distribution of the autocorrelation coefficient in the corresponding PDO region, also demonstrates the corresponding relationship between the change of the background field of the SST and the change of the PDO.     

Early warning signals of abrupt temperature change in different regions of China over the past 50 years

In this paper, the early warning signals of abrupt temperature change in different regions of China are investigated. Seven regions are divided on the basis of different climate temperature patterns, obtained through the rotated empirical orthogonal function, and the signal-to-noise temperature ratios for each region are then calculated. Based on the concept of critical slowing down, the temperature data that contain noise in the different regions of China are preprocessed to study the early warning signals of abrupt climate change. First, the Mann-Kendall method is used to identify the instant of abrupt climate change in the temperature data. Second, autocorrelation coefficients that can identify critical slowing down are calculated. The results show that the critical slowing down phenomenon appeared in temperature data about 5-10 years before abrupt climate change occurred, which indicates that the critical slowing down phenomenon is a possible early warning signal for abrupt climate change, and that noise has less influence on the detection results of the early warning signals. Accordingly, this demonstrates that the model is reliable in identifying the early warning signals of abrupt climate change based on detecting the critical slowing down phenomenon, which provides an experimental basis for the actual application of the method.     

基于气候变化综合指数的中国近50年来气候变化敏感性研究

气候变化指数是目前有关气候变化研究领域的前沿课题, 国内外在气候变化研究领域存在着许多具体指数,但关于综合指数的研究却非常少见. 本文将基于温度和降水的单一要素指数的气候变化信息进行综合, 得到一个综合气候变化指数CCI (climate change index)以评估中国近50年来的气候变化及其区域敏感性.指数大小表征气候突变前后极端气候事件的频数之差, 反映该地区应对气候变化的能力,反映该地区对气候变化的敏感性. 通过该指数可以获得多种气候变化的相关信息,从而为更好地应对极端气候事件提供判断依据. 研究结果显示,内蒙古大部、东北中部、云南以及西北中部等地CCI指数较大, 说明这些地区相对于气候突变之前极端气候事件频发. 中国各个省份中的所有站点的CCI指数平均值表明,中国江南和西南东部对气候变化不敏感; 华北和东北地区极端气候事件频发.气候变化在高纬度地区和热带、 亚热带地区表现明显,北方和西南比较敏感,而黄河以南敏感性较弱, 沿海地区由于受季风及台风带来的强降水的影响, CCI指数相对偏大,敏感性较强.     

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.