一种确定极端事件阈值的新方法:随机重排去趋势波动分析方法

将去趋势波动分析法(detrended fluctuation analysis,DFA)和替代数据法相结合,同时引入启发式分割算法和卡方检验,提出了一种确定极端气候事件阈值的新方法,称为随机重排去趋势波动分析(stochastic re-sort detrended fluctuation analysis, S-DFA)方法. 同百分位阈值方法相比,S-DFA方法明确指出了极端事件和非极端事件之间的临界值. 基于中国气象局公布的中国165个国际交换站1961-2006年无缺测的逐日日平均气温资料,利用随机重排去趋势波动分析(S-DFA)方法计算并分析了中国极端低温事件阈值的空间分布特征,并对S-DFA方法在实际资料中的应用进行了检验. 从可预报性的角度给出了极端低温事件综合指标的定义. 这一综合指标将极端低温事件的发生频次和强度综合起来,且兼顾了不同地区各自特有的区域气候背景,进一步说明了综合指标定义的合理性. 基于极端低温事件综合指标的空间分布规律,将中国1961-2006年间极端低温事件分为四个不同等级的地区. 极端低温综合指标整体表现出下降趋势,在20世纪80年代初期之前综合指标的变化具有两个明显的准10年周期,而在这之后则一直处于下降趋势且大大低于平均值,直到90年代中期以后才再次上升至平均值附近. 关键词： 去趋势波动分析法 替代数据法 极端气候事件 阈值     

基于随机重排去趋势波动分析的极端低温事件研究及其综合指标的建立

将去趋势波动分析法(detrended fluctuation analysis,DFA)和替代数据法相结合,同时引入启发式分割算法和卡方检验,提出了一种确定极端气候事件阈值的新方法,称为随机重排去趋势波动分析(stochastic re-sort detrended fluctuation analysis, S-DFA)方法. 同百分位阈值方法相比,S-DFA方法明确指出了极端事件和非极端事件之间的临界值. 基于中国气象局公布的中国165个国际交换站1961-2006年无缺测的逐日日平均气温资料,利用随机重排去趋势波动分析(S-DFA)方法计算并分析了中国极端低温事件阈值的空间分布特征,并对S-DFA方法在实际资料中的应用进行了检验. 从可预报性的角度给出了极端低温事件综合指标的定义. 这一综合指标将极端低温事件的发生频次和强度综合起来,且兼顾了不同地区各自特有的区域气候背景,进一步说明了综合指标定义的合理性. 基于极端低温事件综合指标的空间分布规律,将中国1961-2006年间极端低温事件分为四个不同等级的地区. 极端低温综合指标整体表现出下降趋势,在20世纪80年代初期之前综合指标的变化具有两个明显的准10年周期,而在这之后则一直处于下降趋势且大大低于平均值,直到90年代中期以后才再次上升至平均值附近. 关键词： 随机重排去趋势波动分析 极端事件 阈值 综合指标     

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     

中国夏冬季近极端温度变化异常事件的空间分布特征

基于近极值事件广义态密度估计方法,针对1961—2013年中国近极端温度异常变化事件构建了近极值广义态密度的参数,定义rp为近极端温度变化异常事件最概然强度,max为近极端温度变化异常事件最大聚集程度,研究了1961—2013年中国近极端温度异常变化事件的聚集特征.结果表明:夏季,西北地区西部、华南地区以及西南地区南部,当日最高温度变化量达到离高温正距平阈值1.0—2.8℃并达到44%的聚集程度时,应及时给出极端高温异常增温事件的预警信息;在华南地区、西南地区南部以及西藏地区,当出现日最高温度变化量高于高温负距平阈值0.5—2.5℃的近极端高温异常降温事件并达到34%的聚集程度时,下一时刻出现极端高温异常降温事件的概率最大.冬季,对于西南地区,当日最低温度变化量达到离低温正距平阈值1.0—2.0℃并达到32%的聚集程度时,下一时刻最有可能发生极端低温异常增温事件;西南地区,华南地区和江南地区当日最低温度变化比低温负距平阈值高1.0—4.0℃时近极端低温异常降温事件会聚集发生.因此近极端温度变化异常事件最概然强度rp和近极端温度变化异常事件最大聚集程度max在一定程度上给出了下一刻极端温度异常变化事件的预警信息.     

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     

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     

强降水持续过程对上海市内交通经济损失评估模型初探

通过探讨极端降水与城市道路交通受灾损失之间的关系确定灾损函数曲线,首先构建城市道路积水排尽模型、积水持续时间模型,以及道路积水的经济损失评估模型等理论模型,再引入与道路抗涝能力相关的社会经济因子,最终构建了一个极端降水对道路交通造成经济损失的估算模型.经检验,该模型具有较好的模拟性能和适用性,且所需输入变量少,计算简便,适合地区经济损失的快速评估.从该模型出发,确定了上海地区逐年极端降水降水强度和总过程降水量的阈值,从而提出一个新的极端降水定义方法——随影响因子变化的固定阈值法,该方法突出了极端降水给社会 关键词： 极端降水 极端降水-经济损失模型 阈值     

温度关联网络稳定性分析Ⅰ——极端事件的影响

基于极端温度值、强El Niňo/La Niňa年、温度变化关键区域和极端事件频发年四个方面,研究了时间和空间上的极端事件对温度关联网络性质的影响及网络性质相对稳定的可能条件.结果表明,滤除一定比例的极端温度会在一定程度降低网络的连通性, P=0.1和0.9时对应温度关联网络性质变化的拐点,极端低温和高温的界定可以控制在百分比为0.1所对应的温度;La Niňa年长程连边数较El Niňo年明显增加,遥相关作用比较显著,温度变化的关联稳定性较El Niňo年更好一些.热带地区温度变化正常年份的长程和短程连边数均较少,气候变化的各种信号不明显,更难判断气候变化的中长期特征.极端高温事件频发年对网络性质的影响较小,极端低温事件频发年网络长程连边数明显增加,其关联稳定性较极端事件频发年和正常年更强;四方面的研究均表明对网络性质影响最大的区域为180°E—80°E,15°N—15°S的赤道中东太平洋区,网络能否保持稳定的关键是该区域是否会受到重大外强迫等作用. 关键词： 极端事件 强El Niňo/La Niňa年 极端事件频发年 稳定性     

最概然温度背景下不同气候态中国夏冬季极端温度事件时空分布特征

利用1961-2009年中国逐日最高温度资料,分成1961-1990年、1971-2000年和1981-2009年三个气候态(分别称为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ态),基于偏态概率密度函数定义极端温度事件,从频次、强度两个角度研究了不同气候态下中国夏季和冬季极端温度事件的时空变化特征. 空间分布上,夏季极端高温的频次、强度在Ⅰ态黄淮、江淮流域显著减小,在Ⅲ态,干旱半干旱以及经济发达的长江沿岸、长江三角洲以及东南沿海地区显著增加;冬季极端低温频次在Ⅱ态中的北方、长江三角洲以及Ⅲ态中的高原、东北东南部、长江三角洲显著降低. 冬季极端低温强度整体呈降低趋势,但区域特征不明显. 极端温度频次和强度在空间上一致性较好;时间演化上,夏季极端高温频次、强度均在Ⅱ,Ⅲ态显著增加,冬季极端低温频次、强度降低的趋势有所减缓. 在当前气候态(Ⅲ态)夏季极端高温在经济发达地区发生比较频繁且极端性在增强;冬季极端低温的发生维持在一个稳定状态且极端性也相对比较稳定. 极端温度事件的频次与强度在时间变化趋势上存在较好的一致性. 在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ态共同时段内,后一气候态检测出的极端高温频次均比前一气候态少,极端低温频次均比前一气候态多,这与背景温度随气候态逐渐升高是相一致的;后一气候态检测出的极端高温强度均比前一气候态小,极端低温强度均比前一气候态大. 在20世纪70年代末80年代初全球气候系统突变前,极端高温频次具有明显的下降趋势,突变后显著上升;极端低温频次在突变前后变化不明显. 极端高温强度突变前表现出轻微的下降趋势,在突变后上升趋势明显;极端低温强度在突变前后大致相当,突变后的整体强度稍低于突变前. 关键词： 极端高温 极端低温 气候态     

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.     

Levels of complexity in turbulent time series for weakly and high Reynolds number

We use the detrended fluctuation analysis (DFA), the detrended cross correlation analysis (DCCA) and the magnitude and sign decomposition analysis to study the fluctuations in the turbulent time series and to probe long-term nonlinear levels of complexity in weakly and high turbulent flow. The DFA analysis indicate that there is a time scaling region in the fluctuation function, segregating regimes with different scaling exponents. We discuss that this time scaling region is related to inertial range in turbulent flows. The DCCA exponent implies the presence of power-law cross correlations. In addition, we conclude its multifractality for high Reynold’s number in inertial range. Further, we find that turbulent time series exhibit complex features by magnitude and sign scaling exponents.     

Space-magnitude dependent scaling behaviour in seismic interevent series revealed by detrended fluctuation analysis

The scaling behaviour of the 1981-2007 seismicity data in central Italy, which is one of the most seismically active areas in Italy is investigated. In particular we examined the earthquakes located in a circular area centred on the epicentre of the strongest event, occurred in September 26, 1997 (duration magnitude M_D=5.8). On the base of the detrended fluctuation analysis (DFA), we found that in the magnitude range between 2.5 and 2.9 the scaling exponents fall into disjoint sets for events relatively close and far from the epicentre of the strongest event.     

Investigation of scaling properties in monthly streamflow and Standardized Streamflow Index (SSI) time series in the Ebro basin (Spain)

Scaling behaviors in monthly streamflow and Standardized Streamflow Index (SSI) of 11 gauging stations in Ebro basin (Spain) were analyzed: four located in the mainstream and seven in tributaries. The time span is from 1950 to 2005. The methods used are the power spectrum and the detrended fluctuation analysis. All the streamflows are signaled by the presence of the yearly oscillation, which also plays the role of crossover between two regions: for frequencies smaller than the yearly cycle (or timescales higher than 1 year) the dynamics is approximately random, while for frequencies higher than the yearly frequency (or timescales smaller than 1 year) the dynamics is persistently correlated. The SSI shows approximately similar characteristics, although the annual oscillation is not evidenced. Except for a few peculiar features, the power spectrum and the detrended fluctuation analysis (DFA) have shown similar results for all the streamflow and SSI time series, indicating a universal scaling behavior over the Ebro basin.