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。

基于趋势提取下多尺度时空残差网络的路段速度预测模型

速度预测模型在速度变异,即短时间、大幅度的速度变化场景中会出现模型失准的现象,为了获得更好的预测精度和对速度变异的鲁棒性,本研究建立了多尺度时空残差网络。时间上,通过提出的去趋势方法将速度分为趋势项和残差项,预测速度是预测残差和对应趋势项的直接加和。空间上,同时考虑了预测路段所在的局部路网和整体路网对预测的影响,构建了基于路段速度相关性的前馈神经网络模块和基于AlexNet的图像识别技术分别提取两种不同尺度的空间特征。预测路段的速度趋势、速度残差、局部路网特征和整体路网特征作为构建的编码器-解码器结构的输入以计算最终的预测速度。本研究提出了误差差异率指标来描述速度变异导致的模型失准程度,基于北京市路网浮动车数据,分析路段速度的日间和日内变化特征,选取具有不同速度变化特性的路段进行数据实验和模型验证。结果表明,模型不仅在整体测试集上具有出色的预测精度,在速度变异场景下具有更显著的性能优势。模型具有更好的鲁棒性,误差差异率相比于对照模型平均下降了约30%。

海拔梯度上青海云杉径向生长与气候关系稳定性研究

以祁连山北坡海拔2 700m(分布下限)、3 000m(中部)和3 300m(分布上限)的青海云杉为研究对象,采用长短两种不同步长的样条函数去趋势对1952～1980年和1981～2009年两个时段青海云杉径向生长与气候的关系进行对比分析,以揭示青海云杉年轮中包含的不同频率生长趋势与气候之间的关系及其在海拔梯度上的差异,探讨海拔梯度上气候变化对树木径向生长的影响。结果显示:(1)随着海拔升高,限制青海云杉径向生长的气候因子从降水转变为温度,不同时期的限制因子也发生变化。(2)在海拔2 700m处,上一年12月份平均温度与青海云杉生长的关系发生了分异,小步长的样条函数得到的年表中保留了较多降水信号;海拔3 000m处青海云杉径向生长与上年9月份降水量、平均温度表现出显著正相关关系;海拔3 300m处青海云杉生长与当年夏季降水量呈显著正相关关系,而在后一时段相关关系不显著,与当年春季、夏季的平均温度相关关系不稳定,大步长的样条函数得到的年表中表现出温度与生长关系的分异,且不同海拔青海云杉径向生长的降水量制约趋势变得明显。研究表明,祁连山北坡青海云杉与气候的关系在海拔梯度上存在差异,其对气候变化的响应也存在差异,水分的限制作用随着温度的逐年升高逐渐突出;采用不同步长的样条函数去趋势可以在年表中保留不同的气候信息,从而对分异现象分析结果产生影响,选择合理步长的样条函数进行去趋势才能得到合理准确的分析结果。

新疆天山西部三个云杉上树线树轮最大密度年表的研制、相关性及其气候信号分析

针对新疆天山西部伊犁、博尔塔拉蒙古自治区州三大山体北坡云杉上树线树木年轮最大密度资料,采用区域曲线、负指数曲线、样条函数三种不同生长去趋势方法,研制树轮最大密度年表,分析不同采点和树轮去趋势方法对树轮最大密度年表在不同频域的相关性及气候信号的影响发现:①三个采点间的最大树轮密度变化,在高频变化方面最为相似,低频变化存在着较大差异;②天山西部山脉北坡上树线的树轮最大密度年表对年表研制的三种不同去趋势方法不敏感,而采点间的距离和是否位于同一气候区是影响上树线树轮最大密度年表间相关性的重要因子;③天山西部山脉北坡上树线的树轮最大密度年表对当年的温度具有显著的相关性,年降水量越多的山区,其上树线最大密度年表对温度的相关性越好,且显著相关平均温度涉及的月数也不断增多。

采点和去趋势方法对天山西部云杉上树线树轮宽度年表相关性及其气候信号的影响

针对新疆天山西部伊犁、博州三大山体北坡云杉上树线树木年轮资料,采用区域曲线、负指数曲线、样条函数三种不同生长去趋势方法,研制树轮宽度年表,分析不同采点和树轮去趋势方法对树轮宽度年表在不同频域的相关性及气候信号的影响发现:①采点间的距离和是否位于同一气候区是影响云杉上树线树轮宽度年表间相关性的首要因子。三个采点间的树轮宽度变化,在高频变化方面最为相似,低频变化存在着较大差异,表明它们在揭示和重建大范围的高频气候变化方面可能具有较大的应用潜力。②三种不同去趋势方法对天山西部山脉北坡上树线的云杉树轮宽度年表的研制具有一定影响,负指数和样条函数去趋势方法研制的树轮年表较为相似,而区域曲线去趋势方法研制的树轮宽度年表中则可保留较多的轮宽低频变化信息。③降水是天山西部云杉上树线的树轮宽度生长的主要限制因子,且树轮宽度生长对降水的响应具有显著的滞后性。④在天山西部的云杉上树线采点,使用区域曲线去趋势方法有利于在树轮宽度年表中保留较多的与水分有关的气候信息。

不同去趋势方法对哈思山地区树轮宽度年表气候信号的影响

利用采自甘肃哈思山的油松(Pinus tabulaeformis)树木年轮资料,采用区域曲线(Regional Curve)、负指数曲线(Negative Exponential Curve)和样条函数(Smoothing Spline,30 a步长和67%样本序列长度步长)3种不同类型的去趋势方法,分别建立了RCS、NEL、SP30和SP67四个树轮宽度年表。通过比较不同树轮宽度指数序列和它们对温度、降水的响应发现:4个树轮宽度指数序列的波动趋势十分一致,但波动幅度有所差异;4个年表对降水的响应较差,对温度的响应差异较大,其中,RCS和NEL年表对温度的响应更为敏感,保留了较多的温度信息;温度对研究区树木生长限制作用较强。利用功率谱方法分析了不同去趋势方法对不同频域气候信号的影响,结果显示:不同去趋势方法得到的年表保留低频变化信息的能力差别较大,其中用区域曲线和负指数函数方法建立的年表保留低频信息的能力较强,而用样条函数建立的年表保留低频信息的能力较差。通过综合比较分析,认为负指数函数是比较适合研究区油松树轮资料的一种去趋势方法。

不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应

利用青海不同生境祁连圆柏树木年轮样本,采用3种不同去趋势方法建立树轮年表,结合青海30个气象站的气象资料,分析不同生境和去趋势方法下祁连圆柏径向生长对气候的响应差异。结果表明,祁连山区,生长季前期的平均气温是祁连圆柏树木径向生长的主要限制性因子,NEP树轮标准化宽度年表与生长季前期冬季平均气温相关最好;在柴达木盆地,生长季降水量是该地区树木径向生长的限制性因子,SPL树轮年表对生长季降水量相关较好;在青南高原,祁连圆柏径向生长对春季温度响应最为敏感,而SPL年表与春季温度呈现明显的负相关关系,相关系数达-0.606;而在青海东部地区,祁连圆柏树木径向生长对气候的响应总体不显著。位于青海西部和北部的柴达木盆地和祁连山区祁连圆柏径向生长受西风气候的影响显著,尤其是柴达木盆地,其气候受西风主导;而青南高原受西南季风影响更为显著,该地区祁连圆柏径向生长同时受西南季风气候和海拔高度两方面影响;在青海东部,祁连圆柏径向生长受东亚季风影响更为显著。

灰霾消散前后PM_(10)浓度大幅波动的多重分形分析

该研究采用多重分形消除趋势波动分析法,对成都一次灰霾污染过程中,PM10浓度在灰霾消散前后的多重分形特征进行分析,研究表明灰霾消散前后PM10浓度均具有多重分形特征。进一步运用相位随机替代法与随机重构法,对导致PM10浓度多重分形特征的动力原因进行分析。结果表明重度灰霾期间,长期记忆机制在PM10演化中均占据了主导控制作用;灰霾消散期间,虽然降水过程使得PM10多重分形特征的动力来源有所变化,但长期持续机制仍是多重分形特征的主要动力来源。尽管从表观上来看,大气降水过程显著降低了大气PM10浓度,但由于其内在动力机制并未得到本质的破坏,长期记忆机制仍是PM10演化的内在动力机制,从而可能导致未来特定气象条件下出现高浓度PM10污染,形成灰霾,后续监测数据证实了该论断。研究结果对于PM10浓度演化动力特征的研究以及灰霾预测预警机制的建立具有实际的参考意义。

不同去趋势方法对格尔木地区胡杨宽度年表的气候意义影响分析

基于2014年采自柴达木盆地南缘格尔木地区的胡杨树轮样本,采用三种不同去趋势方法(样条函数法、负指数拟合和区域曲线去趋势方法)建立树轮标准化序列,结合格尔木气象站气候资料,分析不同去趋势方法下胡杨径向生长对气候的响应。研究表明,利用区域去趋势方法建立的树轮年表包含有较多的气候环境信息,胡杨树轮年表与逐月气候因子相关表明,树轮年表对降水响应不显著,与生长季的平均气温和平均最高气温有较好的相关性,最高相关系数达0.411(p<0.01),格尔木胡杨树轮的区域去趋势年表与组合相关的6—10月平均最高气温相关性最好,生长季的平均最高气温对胡杨径向生长有一定的限制作用并具有树木生理学意义。用区域曲线去趋势方法得出的格尔木胡杨树轮年表对气候的响应最好。

贡嘎山峨嵋冷杉上下限径向生长与气候因子的关系

通过贡嘎山海螺沟峨眉冷杉海拔分布上下限树轮宽度的测定,采用负指数法(NEC)、区域曲线标准化法(RCS)和断面积修正法(BAI)建立树轮宽度年表,基于临近康定气象站气候数据,分析了不同趋势拟合方法峨眉冷杉径向生长对气候响应的差异。结果表明,采用断面积修正法建立的年表更能准确地表征峨眉冷杉的生长趋势;BAI年表与逐月气候因子相关分析显示,在峨眉冷杉海拔分布下限,树木径向生长与前一年6~9月温度呈显著负相关,温度是影响峨眉冷杉海拔分布下限径向生长的主要因子;林线峨眉冷杉与当年7月温度和5月降水呈显著正相关,温度和降水的耦合作用影响林线峨眉冷杉的径向生长。

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%。

基于MF-DFA特征和LS-SVM算法的刀具磨损状态识别

鉴于多重分形理论在精细刻画系统非线性现象和过程方面具有的独特优势,该文提出了基于多重分形去趋势波动分析和最小二乘支持向量机的刀具磨损状态识别方法。首先,用MF-DFA(multifractal detrended fluctuations analysis)方法处理去噪后的刀具磨损声发射信号,讨论其长程相关性和分形特性;然后,分析对比了不同磨损阶段下多重分形谱参数的变化,筛选出能灵敏表征刀具磨损状态的多重分形谱参数:分形维数最大值点对应的奇异指数α_0,多重分形谱谱宽△α和广义Hurst指数波动均值△h(q)作为特征量;最后,利用LS-SVM(least square support vector machine)算法并对比支持向量机和神经网络算法实现刀具磨损状态识别,结果表明LS-SVM算法识别率最高,平均识别准确率达97.78%,验证了本文所提方法的有效性。试验结果表明,提取的特征对刀具磨损状态的变化非常敏感,可以分离相近的磨损状态,为刀具状态监测提供一种参考方法。

张家界市一次旅游高峰期前后PM_(2.5)污染演化的动力特征分析

应用去趋势波动分析法(DFA)分析张家界市一次旅游高峰期前后(即2014年4月2日至10日,其中4月5日至7日为清明假期)大气PM2.5浓度序列的演变规律.结果表明,旅游高峰前后各站点大气PM2.5的浓度时间序列至少在7 d的尺度上具有长期持续性特征,且景区内站点(袁家界、未央路)PM2.5的长期持续性要强于城区(永定新区、电业局).用滑动窗口的方法讨论了长期持续性随时间的变化特征,发现各站点旅游高峰前后,PM2.5的长期持续性特征均表现出很强的稳定性,并没有出现旅游高峰过后大气PM2.5长期持续性减弱的现象.该现象说明,张家界市一次旅游高峰期间,PM2.5的波动演化在动力学上主要是由PM2.5的长期持续性特征主导控制.该研究有助于加深对旅游城市大气PM2.5污染演变动态过程的认识.

福建省经济潜在增长率测算研究

运用生产函数法测算福建省1978—2014年的潜在产出和潜在增长率,分析影响福建省经济增长的要素变动趋势,并对全要素生产率、资本和劳动力的增长率以及福建省未来十年的经济增速进行预测。研究发现,1979—2014年福建省平均潜在GDP增长率处于高速增长区间。然而,近年来福建省潜在GDP增长率有下滑的趋势。分析表明,未来福建省技术进步率增速将有所加快,资本存量和劳动力的增速将有所下降,从而福建省未来十年经济增速将由高速增长转换成中速增长。

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。

MF-DFA方法的船舶辐射噪声特征提取

分析船舶辐射噪声和环境噪声的多重分形特征的成因,提出利用MF-DFA方法对实测船舶辐射噪声进行处理,将环境噪声的分形特征削弱或消除,从而只得到船舶辐射噪声的分形特征,再结合MF-DFA方法与盒子维的定义进行船舶辐射噪声进行特征提取。

非对称单位根检验和非参数方差比

基于三种退势方法较详细研究了方差比检验在非对称单位根检验中的适用性,并通过MC模拟揭示了其检验势性质。结果表明:在不含趋势项的TAR下,两机制TAR数据落在第一机制的比率是影响方差比检验势的重要因素,且比率越高检验势也越高;三机制TAR中落在中间机制的数据比率会影响检验势,随着比率增加检验势呈下降趋势,但程度不大。在含趋势的TAR下,由于趋势项在数据生成过程中具有支配作用,各种检验势会随着趋势设定的不同而不同。数据在不同机制之间的转换概率越高,则ROLS和RDM退势较OLS退势具有明显优势。

不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔雪岭云杉树轮宽度年表对气候的响应

利用新疆东天山高低海拔雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)年轮样本,采用样条函数法、负指数函数法和区域曲线法3种去趋势方法研制树轮宽度标准化年表,通过分析不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔云杉树轮宽度标准化年表特征、年表与气候响应的关系和年表间在不同频域互相关,及其与其它资料对比发现:(1)3种去趋势法对东天山年表质量影响较小,低海拔树轮年表含有更多可靠的气候变化信息。(2)高海拔的雪岭云杉树木径向生长与6—9月平均气温均呈显著正相关,其中标准化树轮年表与7月平均气温相关系数达0.553(P<0.01,n=58),夏季温度可能是东天山高海拔雪岭云杉径向生长的主要限制因子;低海拔雪岭云杉树木径向生长与春季降水显著正相关,同时与春季平均气温显著负相关,春季高温和缺水共同作用的春旱可能是影响低海拔雪岭云杉径向生长的主导因子,且负指数函数年表对气候响应更敏感。(3)区域曲线法能够保留树轮标准化年表中更多低频信息,但优势不明显。高低海拔标准化年表在低频域相关系数较大,并和历史干旱事件有很好的对应。在东天山高低海拔雪岭云杉的去趋势方法研究中,负指数函数法比样条函数法和区域曲线法更适合。

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。

新疆科克苏湿地草本植物群落分类及其与环境的关系

科克苏湿地是干旱半干旱地区的典型湿地类型。本研究以科克苏湿地草本植物群落为研究对象,采用平均聚合聚类(UPGMA)、除趋势对应分析(DCA)法和典范对应分析(CCA)法进行数量分类,分析其群落构成及物种多样性与环境因子的相关性,以探明环境因子对湿地植物群落类型分布的影响。结果表明:科克苏湿地草本植物群落被划分为10种群落类型,包括苔草+芦苇(Carex spp.+Phragmites australis)群落、醉马草+沙蒿(Achnatherum inebrians+Artemisia desertorum)群落、芦苇+拉拉藤(P.australis+Galium aparine)群落、芦苇(P.australis)群落、醉马草(A.inebrians)群落、车前+早熟禾(Plantago asiatica+Poa annua)群落、拂子茅(Calamagrostis epigeios)群落、偃麦草(Elytrigia repens)群落、针茅(Stipa capillata)群落、早熟禾(P.annua)群落。10种植物群落的物种丰富度范围为2.5~8.8,Simpson优势度指数范围为0.28~0.62,Pielou均匀度范围为0.33~0.73,Simpson多样性指数范围为1.44~2.61,Shannon-Wiener多样性指数范围为1.75~3.50。CCA排序结果显示,离河距离对科克苏湿地草本植物群落分布的影响最大。本研究揭示了湿地植物群落分类、分布特征及控制因素,为科克苏湿地生态保护和功能提升提供了依据。