树木年轮的多时间尺度和混沌特性分析及预测研究

论文摘要

全球气候变化问题已经引起了全世界的关注。树木生长属于自然气候系统,自然气候系统极其复杂,深入研究气候系统有助于对大自然机理进一步认知。树木年轮的生长过程可以反映一个地区的气候特征变化。因此,为了探究这个地区的气候行为,本文将14701974年的黄帝陵侧柏树木年轮宽度作为研究对象,利用模态分解和混沌理论对其进行多时间尺度和混沌特性分析。另外还讨论了树木年轮和太阳黑子活动的相关性,并在相空间重构的基础上对树木年轮宽度进行了预测。主要工作包括:（1）采用集合经验模态分解和混沌理论对树木年轮宽度序列进行了多时间尺度和混沌特性分析。结果表明:树木年轮宽度序列由混沌成分、周期成分和趋势成分组成,具有明显的多时间尺度和混沌特性;在进行多时间尺度分析时,剔除混沌成分与趋势成分不影响序列的多时间尺度分析结果;在进行混沌特性分析时,树木年轮宽度比其剔除周期成分与趋势成分后新时间序列的混沌特性更加明显。（2）根据树木年轮与太阳活动的相关性,提出一种基于变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）和希尔伯特变换（Hilbert Transform,HT）的树木年轮与太阳黑子活动的多时间尺度分析方法。分析可得:树木年轮宽度具有27a、10.8a,25a的准周期;太阳黑子数具有8.3a、9.9a、11.1a、52.2a和101.2a的准周期。利用方差贡献率比较可得:二者同时期的主周期基本一致,但树木年轮宽度还有其他周期。结果表明:太阳黑子活动是影响树木年轮生长的重要因素,另外树木年轮宽度不仅受太阳黑子活动影响,还受其他外界环境影响。（3）提出一种基于混沌理论的变分模态分解-VOLTERRA耦合预测模型。在对树木年轮宽度序列混沌识别的基础上,首先用VMD对树木年轮宽度序列进行分解,再对各频率分量进行相空间重构并用3阶VOLTERRA级数自适应模型建模预测,最后对各分量的预测结果相加得到原始序列的最终预测值。结果表明:变分模态分解-VOLTERRA耦合预测模型优于其他对比模型,能有效的提高预测精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 论文研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 树木年轮与太阳活动相关性研究现状
•     1.2.2 气候信号混沌性研究现状
•     1.2.3 气候信号预测研究现状
•   1.3 本文主要研究内容及论文结构
• 第2章 经验模态分解及其改进
•   2.1 经验模态分解
•     2.1.1 经验模态分解的基本概念
•     2.1.2 EMD的基本原理与算法流程
•     2.1.3 EMD的基本性质
•     2.1.4 EMD存在的问题
•   2.2 改进的经验模态分解
•     2.2.1 集合经验模态分解
•     2.2.2 变分模态分解
•   2.3 本章小结
• 第3章 基于集合经验模态分解的树木年轮的多时间尺度和混沌特性分析
•   3.1 小波理论
•   3.2 树木年轮资料
•   3.3 树木年轮多时间尺度分析
•   3.4 混沌理论
•     3.4.1 混沌的定义
•     3.4.2 混沌时间序列
•     3.4.3 相空间重构理论
•     3.4.4 混沌特性分析方法
•   3.5 树木年轮混沌特性分析
•     3.5.1 树木年轮相空间重构
•     3.5.2 混沌特性分析结果
•   3.6 本章小结
• 第4章 基于变分模态分解的树木年轮宽度和太阳黑子的多时间尺度分析
•   4.1 希尔伯特黄变换
•   4.2 树木年轮多时间尺度分析
•     4.2.1 变分模态分解处理
•     4.2.2 多时间尺度分析结果
•   4.3 太阳黑子多时间尺度分析
•     4.3.1 太阳黑子资料
•     4.3.2 变分模态分解处理
•     4.3.3 多时间尺度分析结果
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于混沌理论的变分模态分解-VOLTERRA耦合模型预测
•   5.1 混沌预测基本方法
•     5.1.1 全局预测法
•     5.1.2 局域预测法
•   5.2 VOLTERRA自适应预测模型理论基础
•   5.3 基于变分模态分解-VOLTERRA的模型预测
•     5.3.1 建模思路
•     5.3.2 预测指标
•     5.3.3 模型预测和结果分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑蒙涛

导师: 李国辉

关键词: 树木年轮宽度,太阳黑子数,多时间尺度,混沌,预测

来源: 西安邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 物理学,林业

单位: 西安邮电大学

分类号: O415.5;S718.4

总页数: 68

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