非线性动力学方法在气候突变检测中应用

《非线性动力学方法在气候突变检测中应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.17(2015)179201非线性动力学方法在气候突变检测中的应用刘群群1)2)3)何文平3)y顾斌1)2)4)1)(南京信息工程大学,物理系,南京210044)2)(南京信息工程大学,空间天气研究所,南京210044)3)(国家气候中心,北京100081)4)(南京信息工程大学,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京210044)(2015年3月18日收到;2015年4月28日收到修改稿)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

2、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

3、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.关键词:气候突变,动力学结构突变,场的突变PACS:92.70.AaDOI:10.7498/aps.64.179201问题,基于气候系统演变的长程相关性、气候系统1引言的复杂性等特征以及相空间重构技术,国内外学者先后发展了一系列新的方法和技术,如滑动去趋势气候突变是气候系统演变过程中的是一种重波动分析[16]、滑动移除去趋势波动分析[17]、滑动要的表现形式,对气候突变现象及其理论的研究是移除重标极差方法[18]、滑动

4、移除重标方差方法[19]、气候变化研究中一个重要的领域[16].准确的识滑动近似熵[20]和滑动移除近似熵[21]、基于去趋势别和检测气候突变对于预测气候系统未来的演变波动分析的指纹法[22],Fisher信息[23]、动力学相关趋势具有重要的意义,鉴于此,国内外学者已经展因子指数[24]等.开了大量气候突变检测技术的研究[714].近年来,产生气候状态转换或突变的可能原因有二:一随着非线性科学的发展,气候突变检测技术亦得到了快速的发展,涌现出许多新方法和新技术.如是气候系统的动力学方程在演化过程中并没有发针

5、对时间序列概率密度的突变检测,He等[15]基于生改变,仅仅是气候系统冷暖位相的自然更替,即Box-Cox变换中定量表征时间序列偏态性特征的系统的位相突变,如春、夏、秋、冬四季的变迁;二物理量-偏态指数,提出了一种滑动偏态指数方法.是由于外强迫或者气候系统子系统相互间作用的数值试验和实际资料中的应用表明了该方法具有加强(或减弱)等原因使得气候系统的动力学方程很好的检测性能.针对系统的动力学结构突变检测的参数、边界条件或者结构等发生了改变,导致气全球变化研究国家重大科学研究计划(批准号:2012CB955902)

6、、国家自然科学基金(批准号:41275074和41175067)、中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室开放课题(批准号:KDW1304)资助的课题.†通信作者.E-mail:wenping_he@163.com©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn179201-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.17(2015)179201候状态偏离了原有的吸引子,进而造成气候系统的分析、滑动移除重标极差法、滑动移除重标方差法、状态

7、变量具有统计意义上的显著改变.因此,检测基于去趋势波动分析的指纹法、红噪声检验法等.是否有气候突变,也应该从气候演变过程的差异出去趋势波动分析(detrendedfluctuationanal-发,而不是仅仅从某个(或某些)气候统计量(如平ysis,DFA)是1994年由Peng等[33]提出的一种研均值等)出发.究时间序列长程相关性的标度指数估算方法.DFA鉴于此,气候突变按照其成因可以分为两类,方法能够很好地处理非平稳数据,通过其获得的标第一类气候突变仅仅是指气候系统的位相(如冷、度指数较传统的方法更为可靠.因

8、此,该方法已经暖)的显著改变,但气候系统的动力学方程并未发得到了广泛的应用.DFA方法的算法如下:生改变;第二类气候突变则是由于气候系统的动力对于时间序列{xi,i=1,2,


N},首先计算学方程的改变所引发的.由于造成第二类气候突变序列的累积量的直接原因是由于气候系统的动力学方程(包括参∑nyn=∆xi;数、边界条件等)发生了改变或重大调整所引起,因i=1此,称这类