基于概率密度变化特征的气候突变早期预警信号研究

论文摘要

历史气候记录表明,气候系统常常会发生突变,其对社会经济和生态环境会带来巨大的影响,因此,研究气候突变的早期预警信号对于提前预警气候突变十分重要,具有重要的科学意义和现实意义。已有的研究发现,在一些存在临界点的系统中,突变来临前系统状态变量的不对称程度可能会发生改变,为此,国外学者提出利用定量地描述不对称性的物理量-偏度和峰度-作为早期预警信号。本文通过系统地考察这两种物理量在不同动力系统中对突变的预警效果发现,这两种预警信号在部分模型中可能会失效。鉴于此,本文探讨了利用另一种描述不对称程度的参数,即Box-Cox变换过程中的λ系数,在突变的早期预警中的可行性。基于四个简单折叠分岔模型的试验,本文发现在偏度和峰度都失效的某一种情况下,λ系数可以起到很好的早期预警作用;而对于偏度、峰度和λ系数都能起到预警效果的情况下,就预警信号的数值变化幅度而言,λ系数明显大于偏度、峰度,因此,本文提出的基于Box-Cox变换过程中的λ系数作为突变的一种早期预警指标较偏度、峰度两个物理量具有一定的优势。在实际观测数据中,经常遇到观测误差和缺测的情况,鉴于此,本文分别系统地研究了二者对于突变早期预警信号预警性能的影响,本文也研究了样本量对于预警信号的影响。本文主要研究了信噪比为5分贝、10分贝和20分贝的高斯白噪声对于预警信号的影响,研究结果表明,噪声会减小预警信号的数值、缩短预警时间,且影响程度随噪声强度增大而增加,强噪声甚至可能导致预警信号完全失效。而缺测在本文的所有试验中,几乎都没有影响,即使缺测量达到总样本量的20%。通过对样本量的影响研究发现,本文计算预警信号使用的样本量都足够大,偏度、峰度、λ系数都有统计意义。在前三个模型中,三种预警信号对于样本量的需求几乎一致,而在第四个模型中,λ系数对于样本量的需求小于偏度和峰度。三种预警信号在福布斯下降（FD）事件的观测数据应用中,都提前四天左右开始表现出持续的变化趋势,即三者都可以起到预警作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 气候突变的定义及其对社会经济的影响
•   1.2 气候突变的主要研究进展
•     1.2.1 突变事件的检测与归因
•     1.2.2 气候突变的早期预警信号
•   1.3 一些未解决的科学问题
•   1.4 拟解决的科学问题及主要研究内容简介
•   1.5 论文结构
• 第二章 研究方法和模型
•   2.1 偏度系数
•   2.2 峰度系数
•   2.3 Box-Cox变换系数
•   2.4 折叠突变模型
•   2.5 小结
• 第三章 噪声和缺测对偏度系数的影响研究
•   3.1 噪声对偏度系数作为早期预警信号性能的影响研究
•   3.2 缺测对于偏度系数作为早期预警信号性能的影响研究
•   3.3 样本量的影响
•   3.4 小结
• 第四章 峰度系数作为早期预警信号的研究
•   4.1 噪声对峰度系数作为早期预警信号性能的影响
•   4.2 缺测对峰度系数作为早期预警信号性能的影响
•   4.3 样本量的影响
•   4.4 小结
• 第五章 基于Box-Cox变换的气候突变早期预警信号的应用研究
•   5.1 λ系数作为早期预警信号的性能测试
•   5.2 噪声对λ系数的影响
•   5.3 缺测对λ系数的影响
•   5.4 样本量的影响
•   5.5 小结
• 第六章 三种预警信号的对比研究及实际应用
•   6.1 无噪声、无缺测情况下的对比
•   6.2 存在噪声时的对比
•   6.3 样本量的比较
•   6.4 三种预警信号在福布斯下降（FD）事件中的应用
•     6.4.1 福布斯下降（FD）事件
•     6.4.2 三种预警信号在FD事件中的预警性能研究
•   6.5 小结与讨论
• 第七章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 创新点
•   7.3 未来展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谢孝强

导师: 顾斌,何文平

关键词: 临界转换,早期预警信号,气候突变,变换

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“基于临界慢化和信息传输理论的气候突变早期预警信号研究”(基金号:4175093,起止年月:2018.01-2021.12)

分类号: P456

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000617

总页数: 89

文件大小: 12945K

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