基于非線性時(shí)間序列分析方法的氣候突變檢測(cè)研究.pdf

1、全球變化已成為當(dāng)代科學(xué)界矚目的新領(lǐng)域，氣候變化是其研究的核心內(nèi)容之一，它受到各國(guó)政府的極大重視。氣候突變是氣候變化的重要表現(xiàn)形式之一，是一個(gè)典型的物理學(xué)與氣候?qū)W的交叉性科學(xué)研究課題，是非線性科學(xué)研究的重要領(lǐng)域。目前對(duì)氣候突變的研究主要針對(duì)代用資料，運(yùn)用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行處理，盡管取得了不少進(jìn)展，但氣候系統(tǒng)的非線性、多層次性和非平穩(wěn)性對(duì)分析和檢測(cè)氣候突變的方法提出了較高的要求?；诜蔷€性科學(xué)的最新研究成果，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：

2、 (1)本文介紹了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition，EMD)、希爾伯特變換(HilbertTransformation，HT)、小波分解(WaveletDecomposition，WD)和小波變換(WaveletTransformation，WT)的主要思想，并利用理想時(shí)間序列和青藏高原古里雅冰芯18O時(shí)間序列，系統(tǒng)地分析比較了EMD和小波分解(WaveletDecomposition，WD)以及HT

3、和小波變換(WaveletTransformation，WT)處理非線性時(shí)間序列時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)它們的分解結(jié)果中均存在虛假分量這一問題，提出了基于兩種分解結(jié)果的相關(guān)性分析方法，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了去除虛假分量并找到包含原序列最顯著信息的主要分量。研究結(jié)果表明，將基于EMD的方法和基于WD的方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，可以更有效地識(shí)別原時(shí)間序列不同尺度(周期)的主要特征信息。 (2)在上述工作的基礎(chǔ)上，引入BernaolaGalvan等

4、提出的能夠?qū)⒎瞧椒€(wěn)序列分割為多個(gè)不同尺度的自平穩(wěn)子序列的啟發(fā)式分割算法(下文簡(jiǎn)稱BG算法)，并應(yīng)用于非平穩(wěn)時(shí)間序列的突變檢測(cè)。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證了BG算法處理非平穩(wěn)時(shí)間序列的有效性和尖峰噪聲、隨機(jī)擾動(dòng)等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小。同時(shí)，基于濾波方法對(duì)近2000年北半球樹木年輪寬度和北京石花洞石筍微層厚度距平序列進(jìn)行以100a尺度為界限的高低頻信號(hào)分離處理，并應(yīng)用BG算法對(duì)高頻和低頻信號(hào)分別進(jìn)行處理，試圖檢測(cè)和分析其中包含的各種尺度的氣候突變事件

5、，區(qū)分不同性質(zhì)的突變，并揭示其變化的物理機(jī)制。定義了新的物理量-突變密度，對(duì)比前后千年內(nèi)突變的疏密分布特點(diǎn)，就人為因素對(duì)氣候變化可能產(chǎn)生的影響作初步的探討。進(jìn)而以華北氣候變化的特征為例，研究局地和全球氣候變化之間內(nèi)在聯(lián)系。此外，BG算法對(duì)國(guó)家氣候中心1956～2000年華南和華北20個(gè)站點(diǎn)的逐日降水量資料的10天滑動(dòng)平均序列處理后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：各個(gè)站點(diǎn)降水序列分割得到的子序列其尺度的累積分布均遵循P(L＞l)～l-γ的尺度律特征，即尺

6、度大于l的子序列的概率分布具有冪律尾特征，結(jié)合溫度和人類心率序列等已有的研究，這一特征可能是許多非平穩(wěn)時(shí)間序列的共同屬性；同時(shí)華南地區(qū)個(gè)站點(diǎn)的冪律尾指數(shù)λ在1.6～2.0范圍內(nèi)波動(dòng)，華北地區(qū)則在2.0～2.4內(nèi)波動(dòng)，就整體而言華南偏小1.92，華北偏大2.54，其原因可能在于兩個(gè)地區(qū)分別屬于不同動(dòng)力氣候特征區(qū)，故而λ可能在一定意義上能夠表征原序列的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；分年代滑動(dòng)計(jì)算華南和華北各個(gè)站點(diǎn)降水均值序列的冪律尾指數(shù)并將λ劃分為四個(gè)不同

7、的等級(jí)發(fā)現(xiàn)，華南和華北在1970年、1980年和1990年前后λ均存在明顯躍變，其原因可能在于我國(guó)的降水在這些時(shí)段出現(xiàn)了一定程度的突變，所以冪律尾指數(shù)這一非平穩(wěn)時(shí)間序列的重要屬性可能是檢測(cè)降水等序列突變的新的有效方法。 (3)為了從時(shí)間序列中挖掘出復(fù)雜系統(tǒng)物理的、本質(zhì)的特征，即從動(dòng)力學(xué)的角度檢測(cè)實(shí)際序列發(fā)生的突變，本文在BG算法中引入非線性時(shí)間序列分析新方法——?jiǎng)恿W(xué)相關(guān)因子指數(shù)，從而發(fā)展了一種新的動(dòng)力結(jié)構(gòu)突變的檢測(cè)方法—?jiǎng)恿W(xué)