累计去趋势法在分析降水与形变关系中的应用

论述累计去趋势法的原理,举例说明在降水与形变分析中的应用效果。对流动水准、台站水准及流动重力单测站的同场地的降水量进行累计去趋势计算,然后分别与观测数据进行对比。通过分析发现,经过处理后的降水量变化曲线除去原来的突跳变化,增大了降水量在后续时间中的影响力,而且降水量与形变的正常变化趋势更加一致。根据处理后的降水量变化与形变变化趋势的对应关系,也更容易判断形变是否出现异常变化。

基于去趋势波动分析方法的土壤水分长程相关性研究

采用去趋势波动分析法(DFA),分析华北山区2004—2007年逐日土壤水分序列的长程相关特性,为土壤水动态动力学机制的揭示以及模拟预测研究提供客观依据。主要结论有:(1)观测点土壤水序列并非完全随机的,具有较为显著的线性趋势,二阶去趋势波动分析可以有效地去除原始序列的线性趋势;(2)研究区土壤水序列波动形式接近于分维布朗运动,是一个由内在自相似机制决定的长程相关过程。长程相关性强弱的变化与土壤深度变化并不一致;(3)土壤水序列(20cm,40cm,70cm)标度指数存在"拐点"。随着时间尺度的增大,土壤水序列的长程相关性质发生变化。

基于去趋势波动分析法的土壤含水量变化特性研究

为探讨栾城站农田土壤含水量的长期演变规律和机理。运用去趋势波动分析法,对栾城站2002—2008年土壤含水量时间序列进行了分析,得到了土壤含水量长期演变规律的参数标度指数,探讨了不同层次含水量序列的长程相关性及其内在的演变规律,并用分形维数定量描述了土壤含水量动态变化过程的分形特征。结果表明:不同层次序列的标度指数均大于0.5,即序列具有长程相关性,含水量变化存在着趋势性成分。随着深度的增加,标度指数逐渐增大,揭示了含水量变化的长程相关性越来越强;另一方面,随着深度的增加,分形维数逐渐减小,表征了含水量的波动幅度越来越稳定,这也与实际相符。

基于去趋势互相关分析法的光照、温度和风速互相关性分析

合理利用气象因素之间的互相关特性有利于降低系统运行成本,提高系统稳定性。采用美国3个不同地区的光照、风速、温度的历史实测数据对三者所具有的长程自相关性与互相关性进行探究。首先利用去趋势波动分析法对3个地区的光照、风速、温度的长程自相关性进行分析;其次采用去趋势互相关分析法(detrended cross-correlation analysis method,DCCA)和DCCA互相关系数进一步量化在不同尺度下三者之间的互相关性;最后构建风光互补发电场景并分析风光互补的总体特性和季节特性,验证了相关性分析的有效性和必要性。

基于改进MF-DFA的液压泵退化特征提取方法

针对液压泵振动信号通常具有非线性强和信噪比低的特点,提出了一种基于改进多重分形去趋势波动分析(multi-fractal detrended fluctuation analysis,简称MF-DFA)的液压泵性能退化特征提取方法。首先,引入滑动窗口技术改进传统MF-DFA方法在时间序列数据分割过程中存在的不足,提高了MF-DFA方法的计算精度;然后,利用改进的MF-DFA方法计算液压泵多重分形谱参数,分析了不同分形谱参数对液压泵退化状态的反映能力,选取奇异指数α0和多重分形谱宽度Δα作为退化特征量;最后,以液压泵不同退化状态下的实测数据为例验证了该算法的有效性。试验结果表明,该方法能够准确提取液压泵退化特征,提高了退化状态识别的准确率。

基于带确定性趋势ESTAR模型的单位根检验

文章就全局平稳的带趋势项ESTAR模型的单位根检验进行研究。与带趋势项AR模型不同的是,带趋势项ESTAR模型的两种形式有着不同的波动。通过采用直接检验法和去趋势检验法对这两种形式的ES-TAR模型进行单位根检验,并加以对比。推导了直接检验法下KSS检验统计量的极限分布,通过Monte Carlo模拟进一步给出了其临界值和相应的模拟结果。结果表明,对于不同形式的带趋势ESTAR模型进行单位根检验应该用不同的检验法区别对待。

吉林省参考作物蒸散演变特征及气候成因定量分析

参考作物蒸散是能量平衡和水分循环的重要环节,明晰吉林省参考作物蒸散演变特征及成因,有助于理解气候变化对水文循环的影响和科学开展灌溉。根据吉林省28个气象站1970-2019年的逐日气象数据,利用Penman-Monteith法、去趋势法探究考蒸散演变特征及其定量化成因。结果表明:近50 a中,吉林省年平均参考作物蒸散呈不显著的增加趋势,四季中,夏季蒸散减少,其他季节蒸散不同程度增加。近50 a中,吉林省各气象因子变化差距明显,年、季平均气温和水汽压差增加,风速和日照时数减少,其中风速和水汽压差的变化幅度明显大于气温和日照时数;吉林省年均蒸散变化由水汽压差和风速主导,各因子正贡献略超过负贡献,使年均蒸散呈弱增加趋势。春季平均蒸散演变主要由水汽压差和风速驱动,夏季平均蒸散由水汽压差、风速和日照时数共同驱动,秋、冬季平均蒸散演变是由水汽压差和风速驱动。空间上,西部地区年蒸散的变化主要由风速驱动,中部年均蒸散同时受到风速和水汽压差变化影响,东部由水汽压差变化驱动。吉林省西部春季蒸散变化主要由风速驱动,中部和东部春季蒸散由水汽压差主导;西部和中部地区夏季平均蒸散由日照时数主导,东部则主要由水汽压差驱动;西部和中部秋、冬季蒸散变化主要受风速影响,东部主要由水汽压差的变化驱动。

短周期高强度旅游活动对城市空气质量的影响

为定量研究短周期高强度旅游活动对城市空气质量的影响,提出一种综合集合经验模态分解和去趋势互相关分析的模型(EEMD-DCCA),研究了2015年张家界市武陵源景区旅游人数的变化对大气NO_(2)浓度的影响。首先,通过EEMD方法,获得武陵源景区旅游人数与城市空气中NO_(2)浓度的高频分量;进一步,通过DCCA方法研究旅游人数高频分量和NO_(2)浓度之间的相关性。结果表明,两组旅游人数高频分量与NO_(2)浓度之间均呈正相关性,且具有长期持续性特征,这意味着短周期节假日旅游人数的剧增会持续影响未来一定时间尺度内大气NO_(2)浓度的变化趋势。在武陵源景区的研究表明所提的分析模型可以为定量评估旅游活动对自然景区空气质量的影响提供新的研究途径。

树木径向生长主要去趋势方法与误差分析

树轮因其定年准确、分辨率高、连续性强、样本分布广泛等优势,已被广泛应用于历史气候的重建、生长-气候响应关系和林线动态等研究。树轮形成不仅取决于自身的生长发育,还受温度、降水、光照等环境因子的影响。不同去趋势方法影响树轮年表的质量和其中所含的不同频域气候信号,选择适合的生长趋势拟合方法以及误差分析,从而能从树轮资料中获取较多的气候信息并保证精度是树木年轮气候学研究的关键环节。文中综述了树木年轮气候研究中的主要生长趋势拟合方法,分析了不同方法的优缺点与适用性,并对年表的误差进行了分析,指出在未来树轮气候学研究中生长趋势拟合应注重多种方法和多种误差的结合分析。

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 sort detrendedfluctuation Analysis,S-DFA)方法.该方法的基本物理思想是认为资料序列中出现概率非常小的数据点属于小概率事件,这些数据点包含的系统整体演化信息极少,它们所对应的状态是系统演化的异常状态或是系统受到外界扰动而出现的极端状态;而出现概率密度较大或者概率分布比较均匀的数据点则不属于小概率事件的范畴,这些数据点包含了系统演化的丰富信息,是系统演化的正常状态.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,并通过数值试验从不同的角度对S-DFA方法进行检验,以验证S-DFA方法的有效性.

基于多重分形去趋势波动分析法的交通流多重分形无标度区间自动识别方法

无标度区间是时间序列在统计意义上存在分形自相似性的尺度范围,是交通流多重分形特征研究中的重要组成部分.为解决交通流多重分形研究中多重分形去趋势波动分析法(multi-fractal detrended fluctuation analysis,MF-DFA)缺乏有效识别无标度区间方法的问题,本文在分析算法过程中交通流波动函数对数曲线突变点性质的基础上,结合传统无标度区间识别方法的构建思想,建立基于MF-DFA算法的无标度区间自动识别方法.以北京市二环快速路外环方向的部分道路为例开展实例研究,通过与传统无标度区间识别方法的结果对比,验证新方法的有效性.研究结果表明:本文方法能自动识别交通流多重分形无标度区间,且稳定性好;案例研究可知交通流短时间内波动较小、自相似性较强,随着研究时间段变长、交通流波动逐渐变大,自相似性逐渐消失,进一步解释了交通流无标度区间的有限性.

夏季NO_2与O_3相互作用的时间尺度特征——以香港地区为例

应用去趋势互相关分析法对比分析了香港地区2011年7月2日—19日(其中,7月2日—10日为连续晴天,7月11日—19日为连续阴雨天)9个监测站点近地面NO2与O3互相关性及时间尺度特征.研究表明,香港地区近地面NO2与O3浓度波动的相关性在一定时间尺度内具有长期持续性特征,且这两种污染物浓度波动的相关性随时间衰减过程并不遵循经典的马尔可夫随机过程(即相关性随时间呈现指数衰减),而是以幂律形式随时间缓慢衰减.统计分析表明,香港地区9个监测站点NO2与O3相互作用的DCCA标度指数在空间上服从正态分布.此外,为了研究不同太阳辐射对NO2与O3相互作用的时间尺度的影响,对夏季阴雨天和晴天NO2与O3相关性进行了对比分析.结果表明,在不同天气条件下,太阳辐射对NO2与O3相互作用的时间尺度存在显著差异.同时,进一步结合光化学反应机制以及人类日常生活规律探讨了导致此种差异的原因,认为其差异性可能与总日照时数、每日太阳总辐射等因素有关.本研究有助于进一步加强对大气O3污染演化复杂规律的认识.

气候和人类因素在黄土高原西北部植被变化中的贡献率研究

定量区分气候和人类因素在黄土高原西北部植被变化中的贡献率,对该区正在开展的退耕还林(草)工程具有重要指导意义。"回归残差法"是当前该领域使用的主要方法之一,但它有混淆气候变化和人类活动作用的内在风险。本文提出一种旨在克服该缺陷的"去趋势回归残差法",即利用去趋势之后的植被和气候数据建立回归模型,再将原始气候数据代入模型得到模拟植被并进行残差趋势分析。基于SPOT VEGETATION NDVI时间序列的研究结果显示:(1)在气候变化趋势性明显时,"去趋势回归残差法"优于常规方法;(2)近15年黄土高原西北部植被活动整体上呈增强态势,这种增强主要由人类因素所致,贡献率达92%,气候变化的作用较弱,贡献率仅为8%。

盆地气候条件下成都城区O_3与NO_2相互作用的时间尺度分析

应用去趋势互相关分析法对比分析了成都市2013年7月1日至8月31日和2014年1月1日至2月28日等2个时间段4个大气环境监测站点近地面O3与前体物(NO2)小时平均浓度的相关性及其时空演化尺度特征.研究表明,成都市4个监测站点近地面O3与NO2小时平均浓度波动的相关性在一定时间尺度内具有长期持续特征.并对成都市夏季和冬季近地面O3与NO2相关性进行了对比分析,探讨了导致此种差异的原因.结果表明,不同的气象条件下成都市O3与NO2相互作用的时间尺度存在显著差异.其差异性可能与成都市独特的盆地气候特点以及当地夏季与冬季太阳光辐射、日照数、气温等气象因子有关.研究结果有助于进一步加深对盆地气候条件下成都市O3污染特征的认识.

香港地区O_3与NO_2的长期互相关作用

利用香港地区2012年7月6日-7月31日和2012年12月1日-12月31日东涌和观塘2个大气环境监测点中近地面O3与NO2浓度观测资料,采用去趋势互相关分析法对二者的相关性及其时间尺度特征进行分析。结果表明,香港地区近地面O3与NO2浓度波动的相关性在一定时间尺度内具有长期持续性特征。这表明,这2种污染物浓度波动的相关性随时间衰减过程不遵循经典的马尔可夫随机过程(即相关性随时间呈现指数衰减),而是以幂律形式随时间缓慢衰减。此外,该研究对冬季和夏季O3与NO2相关性在一定时间尺度内长期持续特征进行了分析。结果表明,冬、夏两季的差异显著。该研究对这些差异及其产生的原因进行讨论,发现其差异性可能与当地夏季温度、光照强度、太阳总辐射以及气象因子等有关。相关研究方法和研究结果有助于建立或改进近地面O3浓度预测模型。

成都市PM_(10)对大气辐射环境的影响

为研究城市PM_(10)对大气辐射环境的影响,利用2013年6月1日—2014年5月31日成都市ρ(PM_(10))和空气吸收剂量率的逐日监测数据,采用DCCA(去趋势互相关分析)法对二者的相关性进行分析.结果表明:在1 a的时间尺度上,成都市ρ(PM_(10))与空气吸收剂量率之间存在显著的正相关性(标度指数为0.928),并且这种正相关性具有长期、持续的特征,但相关性的强度却随时间以幂函数形式缓慢衰减.冬夏两季ρ(PM_(10))与空气吸收剂量率的相关性存在显著差异.在冬季重度灰霾期间,二者DCCA标度指数为0.968,说明高ρ(PM_(10))已对城市大气辐射环境产生了影响;而夏季二者的DCCA曲线分为两段,标度指数分别为0.579、1.519,折点位置对应的特征时间尺度约为2个月,推测这与当地夏季降雨的时间分布模式有关.研究表明,在当前灰霾日益频发的背景下,需要重视城市重度灰霾对城市大气辐射环境造成的影响.

中国香港地区O3与NO2耦合作用的时间尺度特征

于2012年7月6日-7月3113和2012年12月1日-12月31日，借助中国香港地区东涌和观塘2个大气环境监测点的近地面O3与NO2浓度观测数据，采用去趋势互相关分析法对二者的相关性及其时间尺度特征进行分析。研究对冬季和夏季O3与NO2相关性在一定时间尺度内长期持续特征进行了分析。分析结果表明，香港地区近地面O3与NO2浓度波动的相关性在一定时间尺度内具有长期持续性特征．以幂律形式随时间缓慢衰减；其相关性在冬季和夏季的差异显著，可能与当地夏季温度、光照强度、太阳总辐射以及气象因子等有关。

广东省极端降水的时空分布特征

基于1961-2010年均一性较好的广东省逐日降水数据,利用去趋势波动分析法(DFA)确定了全省37个基准气候站和基本气象站的极端降水阈值,分析了近50年广东省极端降水事件的时空分布特征以及极端降水与总降水量的关系。结果表明:1961-2010年间广东省极端降水阈值的空间分布总体呈沿海高、内陆低的趋势,其大值区主要分布在广东省的东南、西南及南部的沿海地区;而广东省西部、北部以及东北部地区是小值区较集中的地区。广东省近50年极端降水事件发生频次没有明显的变化趋势,但极端降水事件存在偏多和偏少期。广东省的极端降水事件绝大部分都发生在前汛期(4-6月)和后汛期(7-9月),且全年的极端降水量占总降水量的比例均小于10%。

普朗斑岩型铜矿床成矿元素多重分形特征及其矿化强度指示

成矿元素品位的变化受控于长期地质作用过程,具有较强的非线性特征,定量刻画其变化特征有助于深入理解成矿过程,并为找矿预测提供理论依据。运用多重分形去趋势移动均值(MFDMA)法,分析云南普朗斑岩型铜矿床4号勘探线钻孔Cu元素品位的多重分形特征及其对矿化强度的指示意义。结果显示:所有钻孔Cu元素品位具有多重分形特征,且不同矿化等级的元素分布存在局部奇异性差异,多重分形强度随矿化强度等级减弱而增加;这些特征指示在钾硅化带—带内侧强矿化钻孔的高品位相对聚集,而带外侧角岩化—青磐岩化带的高品位相对分散;通过数据随机重排技术推测Cu品位多重分形结构奇异性差异是由其分布概率密度和长相关性共同作用引起,后者的作用贡献大于前者。

定量评估京津冀气候变化和人类活动对植被NPP变化的相对作用

气候变化和人类活动是影响植被生长的两个重要因素,定量评估两因素对京津冀地区植被净初级生产力(NPP)的相对作用,对了解该区域植被变化的驱动机制,改善生态环境具有参考价值。基于2001-2020年CASA模型的NPP数据和气象数据,采用"去趋势回归残差法"定量区分气候变化和人类活动对京津冀地区植被NPP的影响。结果表明:(1)京津冀地区47.8%的植被呈现显著改善的状态,4.5%呈现显著退化的状态。张家口中部地区植被NPP增加趋势最大,经济发达的城市群(除北京外)减少趋势显著;(2)京津冀大部分地区植被得到显著改善的主要原因为气候变化和人类活动的共同作用,其中气候变化对NPP影响为1.5gC·m^(-2)·a^(-1),人类活动为2.4gC·m^(-2)·a^(-1);(3)气候变化和人类活动对植被显著改善的贡献率平均为25.8%和74.2%。气候变化贡献率大于80%的区域面积约占1.3%,主要集中在张家口西北部、沧州东部等地;人类活动贡献率超过80%的区域面积占比22.1%,主要集中在张家口中部和西南部、承德大部、沧州南部、衡水大部等地。而人类活动对植被显著退化区的作用高达94.9%。研究结果表明人类活动在植被生长能力恢复和退化中的作用大于气候变化,因此,京津冀植被恢复的生态建设中应重点关注人类活动的影响。