氣溫變化的時間非對稱性與不可逆性研究

《氣溫變化的時間非對稱性與不可逆性研究》是依託北京大學，由付遵濤擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氣溫變化的時間非對稱性與不可逆性研究
• 項目負責人：付遵濤
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

氣溫在增溫與降溫等變化上存在明顯的時間非對稱性。本項目將採用新的不敏感依賴於背景趨勢的分析方法準確地量化氣溫變化在時間上的非對稱性，系統研究氣溫變化這種時間非對稱性的組成結構和形成機理。既分析日平均氣溫的變化，也分析日最高氣溫和日最低氣溫的變化，並研究三者變化在時間上非對稱性的異同。而研究的非對稱性包括升溫與降溫變化整體的非對稱性、不同時間段內升降溫變化的非對稱性與變化在一定時段內時間方向的非對稱性（或不可逆性）。在時間尺度上，既研究短期天氣尺度上變化非對稱性，也探索中長期天氣或短期氣候尺度上氣溫變化的非對稱性。在分析資料上，既分析台站觀測和再分析序列，也分析不同模式的輸出序列。通過對比分析，研究不同時間尺度上變化時間非對稱性的形成機制。並利用這些分析結果建立氣溫異常的隨機模型，模擬出氣溫異常變化在時間上的非對稱性。通過本項目的研究，給出氣溫變化在時間上的非對稱性的完整認識。

結題摘要

氣溫變化具有非常豐富的時間結構，且隨尺度變化。在長時間尺度上，氣溫變化的趨勢是其顯著的特徵。而在短時間尺度上，氣溫的變化與具體的天氣條件或過程有關，氣溫在增溫與降溫等變化上存在明顯的時間非對稱性。和氣溫變化非對稱性研究有關的內容有量化方法的引入與提出、不同氣溫變數變化的非對稱性時空異同、觀測結果與再分析與模擬結果的對比分析、造成氣溫非對稱的可能原因等。首先，把水平可視圖研究方法引入到氣溫的非對稱研究中，同時，提出了用局部自然趨勢量化非對稱研究的方法。採用這些新的不敏感依賴於背景趨勢的分析方法準確地量化氣溫變化在時間上的非對稱性，系統研究氣溫變化這種時間非對稱性的組成結構和形成機理。對比分析日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和日較差的非對稱性，得到了四者中日平均氣溫非對稱性最強、最高溫次之、最低溫第三、日較差最弱；具有完全不同的空間分布特徵。特別是在再分析資料中，最高氣溫和最低氣溫的非對稱強度都被嚴重高估，造成的原因可能是目前的模式對於極端溫度的模擬還不是非常好；而平均氣溫和日較差符合的較好。研究發現，由水平可視圖得到的時間序列不可逆與由局部自然趨勢得到增溫減溫非對稱具有很好的一一對應關係。它們都是由於增溫與降溫的極端事件發生次數的非對稱造成的，特別是對於平均氣溫來說，非對稱主要是由於極端的降溫事件造成的。同時，嘗試把鋸齒波Weierstrass函式借鑑模擬氣溫異常，通過調整參數初步得到了與氣溫異常具有相似非對稱性的模擬結果。通過本項目的研究，給出氣溫變化在時間上非對稱的完整認識。同時，需要指出的是：非對稱與不可逆僅僅是非線性的充分條件，而不是必要條件。在非線性的指標中，還有非線性相關、多分形等，這些指標與非對稱的關係在本項研究中也做了初步探索，未來需要深入研究。由於非線性往往和極端事件密切相關，本項研究結果可為極端事件的模擬、可預報性等研究提供借鑑。