波流相互作用的大气系统中振荡模态的分析

把经验模态分解(EMD)方法用于波流相互作用的大气动力系统,对不同系统状态的流甬数解序列求其本征模态函数(IMF)分量,分析系统状态与IMF之间的关系,揭示流甬数的振荡结构.结果表明:随着系统的复杂性增大,构成解序列的IMF分量的个数相应增多.对于系统的定常态(Hadley流),每个流函数ψ分量的各个IMF分量都趋于零均值线;对于周期态(Rosssby流),ψ分量由1个周期性的高频IMF分量构成;对于振荡态,分量主要由2-3个较高频IMF分量构成;对于非周期流,ψ分量由多个非周期的IMF分量构成;对于周期-非周期状态,其本征模态有的有周期性,有的没有周期性.低频IMF分量表现ψ序列的长时间尺度的变化.     

夏季副热带大气系统的多尺度振荡分析

应用经验模态分析方法(经验模态分解(EMD)和Hilbert谱),对夏季副热带大气系统在周期态和振荡态下的流函数数值解序列进行本征模态函数(IMF)及其Hilbert谱的分析。结果表明:(1)周期态下的流函数分量时间序列一般由1个IMF构成,而且其周期就是该流函数的周期。对周期性的IMF分量使用Hilbert变换得到的瞬时频率和振幅都不随时间变化。(2)振荡态下的流函数分量时间序列一般由2个以上的IMF构成,其中有的IMF分量具有显著的周期性,相应的瞬时频率和振幅都不随时间变化;有的IMF分量则没有显著的周期性,相应的瞬时频率和振幅有变化,而且随着振荡态复杂程度的增大,瞬时频率和振幅的变化也趋于复杂。(3)瞬时振幅有明确的物理意义,表示IMF振荡的能量;振幅的局部相对大值对应着原序列(IMF)的强振荡,小值则对应着弱的变化。瞬时频率的显著增大,表示原序列有大的变化。     

集合经验模态分解下中国新疆降水变化趋势的区域特征

降水是中国西北干旱区水资源的重要组成部分,利用合理方法有效认识降水的区域变化规律对指导农业发展尤为重要。基于新疆16个国际交换站1961-2012年降水距平时间序列,利用集合经验模态分解(EEMD)方法,分析了新疆降水变化趋势的多尺度特征,并对其空间差异进行了初步探讨。近50多年来,新疆降水量整体上呈现出非线性的显著增多趋势,且其变化存在明显的年际尺度(3年和6年准周期)和年代际尺度(10年和31年准周期);各周期分量方差贡献率显示年际变化在新疆降水变化中占据主导地位,重构的降水年际变化趋势能精细刻画原始降水序列在研究时期内的波动状况;降水年代际变化揭示了新疆降水在1985年前后气候模态有了显著转换,由原来降水以负相位为主的气候模态转向正相位显著的气候模态;此外,降水变化趋势和转折时间均具有明显的区域差异。EEMD方法有助于加深人们对新疆降水多尺度变化特征的认识,是一种适用于非线性、非平稳信号分析的有效方法。     

广西夏季降水的多时间尺度特征及影响因子

利用1951—2011年广西夏季降水站点资料和NCEP/NACR等多种再分析资料,通过相关分析、经验模态分解、统计检验分析了广西夏季降水的多时间尺度特征及其影响因子,利用多元线性回归方法对夏季降水进行拟合和预测试验。结果显示:广西夏季降水具有多时间尺度特征,不同时间尺度对应着环流因子不同时间尺度的分量;在准2年尺度上,主要影响因子为季风槽、低空急流、高空急流、贝加尔湖高度场、南印度洋东部海温。利用对广西夏季降水影响显著的环流因子本征模态函数分量和多元线性回归方法拟合夏季降水,相关系数为0.73,表明广西夏季降水是环流因子多时间尺度共同作用的结果。利用前期冬季南印度洋东部海温异常本征模态函数作为前兆因子预报广西夏季降水,6个独立样本检验显示预测与实况趋势一致,该工作可供利用多时间尺度信息进行区域气候预测参考。     

基于EMD 和集合预报技术的气候预测方法

气候系统是典型的非平稳性系统,然而对于气候观测数据的处理通常是在时间序列平稳的假定下完成的,比如气温和降水的多步预报,这通常会导致预报准确度较低。为改进该缺陷,首先将非平稳数据序列分解成平稳的、多尺度特征的本征模态函数分量(IMF),再使用数值集合预报与逐步回归分析相结合的方式对每一个IMF 分量构建不同的预报模型,最后线性拟合成预报结果。通过Visual Studio 2008 开发平台使用上述方法建立了一个短期气候预报系统,采用广西区88 个气象站1957—2005 年的2 月距平气温数据进行实际验证。结果表明,相对于普通预测和单一预测方法,加入了EMD 和集合预报技术的方法在仅用历史资料进行多步预测的情况下,对于气候的变化趋势以及突发性气候具有更好的预报能力。      

基于改进EMD算法和BP神经网络的SST预测研究

海洋表面温度(Sea Surface Temperature,SST)具有非平稳、非线性的特征,直接将处理平稳数据序列的方法应用到非平稳非线性特征明显的序列上显然是不合适的,预测的误差将会很大。为了提高预测精度,更好地解决非平稳非线性序列预测的问题,本文以东北部太平洋(40°N~50°N、150°W~135°W)区域的月平均海洋表面距平温度为例,首先分别应用集合经验模态分解(EEMD)和互补集合经验模态分解(CEEMD)方法将SST分解为不同尺度的一系列模态分量(IMF),再运用BP(Back Propagation)神经网络模型对每一个模态分量进行分析预测,最后将各IMF预测结果进行重构得到SST的预测值。数值试验的结果表明,CEEMD分解精度比EEMD分解精度高,CEEMD提高了基于BP神经网络的预测精度。系列试验统计分析说明应用这种方法对SST的1年预测是有效的。     

经验模态分解方法在树木年轮宽度序列标准化中的应用

高分辨率的树木年轮是记录历史时期气候变化的良好生物载体,在古气候研究中被广泛应用。但年轮宽度与气候因子之间有着复杂的联系,这种关系受气候因子之间的相互制衡和因物种而异的树木生长节律的共同影响。在利用树木年轮开展历史时期气候变化的研究中,剔除树木年轮与年龄相关的生长趋势是准确获取气候信号的先决条件。然而,传统的和相对改进的一些树轮标准化方法在拟合并剔除树龄相关的趋势及非气候干扰信息方面仍存在一些问题。本文利用经验模态分解(EMD)方法进行树轮资料的标准化方法研究, 对已获得的树轮生长序列所记录的信息进行分解,得到一系列不同物理意义的本征模态分量,结合多样本信息的对比及生物学特性,深入解读各分量表征的气候变化、环境干扰及缓慢生长趋势项等不同物理意义,进而剔除非气候信息,得到可以准确反映气候变化的代用序列,并将该方法与目前广泛采用的标准化方法进行对比,分析不同方法的利弊所在,为进一步改进树轮标准化方法提供新思路。     

基于小波包变换的EMD算法在超声信号处理中的应用

提出基于小波包变换的EMD算法,并将其应用于超声回波信号去噪.对于采用EMD分解含高斯白噪声的超声缺陷信号存在模态混叠的问题,首先用小波包变换对信号作预处理,再对信号进行EMD分解,最后重构出有用的缺陷信号.实验结果表明:该方法不仅具有很好的消噪效果,而且重构的缺陷信号的波形失真度小,有利于对信号做进一步的定量分析.     

基于经验模态分解的西安市空气质量预报订正方法

为提高城市空气质量预报的准确率,研制了针对数值预报模式CAPPS2的订正方法,对2001—2007年西安市逐日PM10、SO_2、NO_2浓度均值和相应的降水、风速作经验模态分解(EMD)分析,用最大熵谱方法检验各本征模态函数(IMF)周期,计算其方差贡献率,制定订正方法并进行数值试验。结果表明:PM10浓度波动以周尺度为主,有明显周末效应,与主要清除过程匹配较好;SO_2、NO_2浓度波动与主要清除过程不同步;基于周末效应的订正规则对PM10、SO_2订正效果较理想,对NO_2订正效果不确定。     

我国西南地区干湿季降水的主模态分析

利用我国西南地区26个台站降水资料,通过经验正交函数（EOF）分解的方法,分析了1980～2009年该地区干季（10～4月）和湿季（5～9月）降水的主模态。我国西南地区干季降水的时空变化存在两种主模态,它们分别可以解释总方差的22.4%和15.6%。第1主模态为全区一致型,具有准两年周期振荡的年际变化特征;第2主模态为东南—西北反向型,从20世纪90年代中期至21世纪初呈现2～3年的变化周期。我国西南地区湿季降水的时空变化存在三种主模态,它们分别可以解释总方差的17.1%,13.8%和11.1%。第1主模态为全区一致型,20世纪90年代初期具有较强的2～4年周期;第2主模态为经向偶极子型分布,并具有显著的4年周期;第3主模态为纬向偶极子型分布,具有2～4年的年际变化信号。进一步利用NCEP/NCAR再分析资料以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海表面温度（SST）资料,通过合成分析和回归分析的方法探讨了与干湿季降水各主模态对应的大尺度大气环流和海温状况。我国西南地区干季降水第1主模态与北极涛动（AO）有明显的正相关关系,对应的大气环流和海温状况表现为高纬北冰洋与中纬度地区上空高度场的反向异常分布,北大西洋和北太平洋海温低纬与中高纬的偶极子型异常分布;第2主模态与中高纬欧亚大陆上空高度场经向偶极子型异常分布有关,中纬度北太平洋的海温异常与该模态具有紧密的联系。我国西南地区湿季降水第1主模态与北大西洋涛动（NAO）显著负相关,对应的大气环流和海温状况表现为北大西洋上,高纬度与中纬度地区上空高度场的偶极子型异常分布,海温从低纬到中高纬的三极子型异常分布;第2主模态受欧亚大陆上空高度场经向三极子型异常分布影响,并与北太平洋海温异常的一致型分布有关;第3主模态可能与El Ni?o Modoki有关,同时受到南亚高压的影响,赤道太平洋海温的纬向三极子型异常分布对该模态具有一定的潜在预报意义。     

黑龙江省年降水量和年平均气温序列均一性检验

采用SNHT方法和台站历史沿革信息对黑龙江省62个地面观测站1961～2006年年降水量和年平均气温序列进行了均一性检验。结果表明：台站迁移、仪器更换等是造成黑龙江省年降水量序列非均一性的主要原因;年平均气温序列非均一性主要是由于仪器更换、台站迁移、观测时制变化等原因引起。     

中国区域平均降水量序列构建方法比较研究

由于地面观测台站空间分布不均匀,运用不同区域平均技术方法研究中国降水特征和变化规律的结果存在显著差异,是区域降水变化研究不确定性的重要来源之一.本文以"中国地面与CMORPH(CPC Morphing Technique)融合逐日降水产品"作为参照值,基于中国地面2425站观测资料,采用5种网格尺寸的经纬度网格面积加权...     

广西近百年气温和降水序列的多时间尺度分析

对广西近百年平均气温及降水量变化进行了多时间尺度的层次结构研究,并与Nino3区的海温距平进行奇异交叉谱分析。结果表明：平均气温有较强上升趋势并伴有明显的准两年周期振荡;降水则呈下降趋势,主要周期为32 a左右及准两年振荡。1884至1910年代初,广西处于干冷期;1910年代初至1930年前后,处于湿冷期;1930年前后至1950年代后期,处于湿暖期;1950年代后期至1990年代前期,处于干暖期。ENSO事件3~7 a的周期对广西平均气温及降水影响显著,赤道太平洋海温变化对广西气温的影响主要表现在年代际变化上,对降水的影响主要体现在年际变化上。     

基于改进的EMD的运城市持续极端气温的初步分析

采用每日最高（最低）气温的历史同期序列的分位数作为该日的极端阈值,运用改进的经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）方法对山西省运城市1971—2005年每年发生的持续（3 d及3 d以上）极端气温频数进行了初步分析。结果表明,1971—2005年运城市每年的持续极端高温频数（frequency of sustained extreme-high temperature,FSEHT）和持续极端低温频数（frequen-cy of sustained extreme-lowtemperature,FSELT）序列均存在线性下降趋势;在0.05的水平下,运城市的FSEHT序列与该地区的年平均气温序列的线性相关性不显著,而该地区的FSELT序列与年平均气温序列的负线性相关关系是显著的;此外,这两个频数序列分别存在不同的周期振荡。从主要周期看,运城市的FSEHT和FSELT序列与厄尔尼诺现象的周期相一致。     

基于幅频分离的气候时间序列预测试验

从气候波动的瞬时频率与瞬时振幅出发,结合最小二乘支持向量机技术,提出了基于幅频分离技术的气候时间序列预测方法,并对南京地区降水距平进行了30候的预测试验。结果表明,幅频分离预测法能够对所有模态的振幅和高频模态的瞬时频率进行较好的预测,而预测的瞬时频率累积误差会对模态分量的预测距平相关性产生敏感影响,该新方法能够显著提高气候序列高频模态的预测效果。对于气候序列的低频模态分量,集合经验模态分解的边界效应会对瞬时频率的求解产生较大误差,使得序列边界区的幅角计算不准确,导致对低频模态的最终预测效果不理想。对气候序列的高频分量采用幅频分离并进行最小二乘支持向量机预测,而对其低频分量仅采用最小二乘支持向量机进行直接预测,可同时提高高、低频分量的预测效果,并最终提高整个气候序列的预测准确性。该分频预测方法可以使南京降水预测的30候距平相关保持在0.4以上。     

重庆市气温及降水变化的奇异谱分析

采用奇异谱分析（SSA）方法对重庆市长年代逐月地面气温及降水资料进行了分析，结果表明，重庆市气温序列存在准2年、准4年周期及16个月的年际振荡特征；而降水序列有准4年、准2年周期及8～16个月的年、季振荡特征。