文摘

气候发展可能的人为影响发生在自然气候的变化,这可能是相当大的,尤其是在北极。自然气候变化但是仍然知之甚少,虽然他们仍是重要的区分自然和人为影响当前的气候变化。使用斯瓦尔巴特群岛(78°N)表面空气温度记录1912 - 2010年作为一个例子,我们在这里建议这样的路来识别和描述自然气候变化。通过傅里叶和小波分析记录分解成时频空间,提取周期信号的信息及其振幅和变异。通过我们确定几个循环变化的时间尺度研究。这些振荡出现在每年的记录,以及季节性的子集记录。只使用三个振荡可以追算斯瓦尔巴特群岛温度记录。我们建议这样持续振荡可以用于预测未来的总体特征温度变化在有限的时期,大约10 - 25%的记录长度。我们的主要重点是识别复发性自然温度变化的特点,但我们也简要评论可能的物理解释一些确定的循环变化。

1。介绍

气候科学是一门综合科学,利用理论和方法从一个惊人的大范围的相关学科。然而,它与其他科学一样,显然可确定的总目标,简洁地定义为布雷斯韦特(1)“建立通用的法律覆盖经验事件或对象的行为…,从而让我们连接在一起的知识分别已知的事件,做出可靠的预测的事件还未可知。”

按照Faegri的2经验法则——气候变化的周期越长,更广泛的地区同样受到影响——我们可以期望在很长一段,说一个冰河时代,温度变化将涵盖整个全球,虽然短时间的改变,改变只会包括相应较小的地区。在很短的时间,几十年的顺序,气候变化在一个地区附近可能更不同于另一个。气候记录,因此必须研究地区建立在每个地区变化的不同特点,为确保正确输入气候模型和建立一个有序序列的过去气候变化作为可能的预测的基础(3]。

在这里,我们将关心气候变化在过去98年的北极斯瓦尔巴特群岛地区,试图识别复发,自然温度变化记录的斯瓦尔巴特群岛1912 - 2010年气象记录。我们的主要重点是年平均表面空气温度(真理正义之神),尽管我们还将考虑两个季节性子集(DJF;冬季)和(环流;夏天)的记录。

大多数气象系列显示重要的十年或多年周期性行为,到目前为止还没有完全包含在分析气候模型(见,例如,所罗门et al。5]),主要是因为还不完善的知识等的详细特征变化。例如,太平洋振荡产生厄尔尼诺和拉尼娜现象已经超过一个世纪,在北大西洋类似的振荡,北大西洋涛动(NAO),天气在这个地区的影响力。此外,来自几个不同环境记录了约60年气候周期是已知的(见,例如,Klyashtorin和Lyubushin [6])。因此,在过去的几年里已经越来越意识到重要的振荡现象在地球的全球天气系统,没有循环变化等知识是很重要的区分自然和人为影响当前的气候变化。这表明,试图确定循环变化的及时改善的理解过去,现在,和未来的气候变化。

体现自然,如何循环温度变化可能是识别和分析,我们首先在这里现在的斯瓦尔巴特群岛气象记录1912 - 2010年,其次是简要介绍小波与傅里叶分析技术,在继续之前,斯瓦尔巴特群岛的光谱分析记录。我们选择了把重点放在一个温度系列而不是使用平均系列覆盖更大的区域,例如,例如,全球或半球系列。我们这样做是因为平均个人数据系列的共同程序与不同级别的自相关可能改变最终的平均时间序列的统计结构值得注意的是,与原系列相比,波里亚克(早先指出的问题7]。目前的分析是建立在一个初始和更广泛的分析4),但我们需要更详细的视图在斯瓦尔巴特群岛记录,包括相关问题统计显著性和季节性的子集记录。

2。斯瓦尔巴特群岛温度记录

特殊气候利益经常被附加到斯瓦尔巴特群岛地区因为纬度高,这部分的北极显然显示气候变化特别高,在一定程度上反映了全球温度的趋势。这是公认的早期由Ahlmann [8)和羊肉(9),后来由罗杰斯et al。10在第三IPCC报告[],但也11)的注意力再次吸引到斯瓦尔巴特群岛地区的气候敏感性高。

在20世纪气候变化在斯瓦尔巴特群岛由每月记录气象Førland et al .(1911年11月以来的数据12(图),斯瓦尔巴特群岛记录1)是最长的从北极气象记录。现代官员斯瓦尔巴特群岛气象台在斯瓦尔巴特群岛附近主要的结算,朗伊尔城(78°13′N, 15°33′E,大约2000居民),在斯匹次卑尔根群岛中部。车站位于美国手语(24米),斯瓦尔巴特群岛机场附近的朗伊尔城西北约3公里的海岸大峡湾Isfjorden。每月从eKlima门户获得温度数据是由挪威气象研究所和真理正义之神,DJF和环流值1912 - 2010计算。

斯瓦尔巴特群岛的记录是一个均质复合记录,建立了从观察在不同站在斯匹次卑尔根群岛中部,主要在大峡湾Isfjorden,从西海岸延伸至室内斯匹次卑尔根。个人气象站所描述Hanssen-Bauer et al。13),挪威北极的气象统计数据的调查由Førland et al。12]。通常很难建立可靠的长期气象系列从北极地区,这里天气观测的主要目的是为了预测的目的,通常是小小心防止搬迁引起的非均质性,改变当地的环境(建筑)和工具的变化(Nordli et al。14])。此外,车站网络在北极是稀疏的,所以通常很难找到好的参考系列用于同质性研究。

克服这些困难,使均匀气象时间序列从斯瓦尔巴特群岛,Nordli et al。14使用数据从几个北大西洋地区在斯瓦尔巴特群岛的同质性测试系列。以下站点被用作参考:Tromsø(挪威),Vardø(挪威),Makkaur灯塔(挪威),Ekkerøy(挪威),朗伊尔城(斯瓦尔巴特群岛),Stykkisholmur(冰岛),Teigarhorn(冰岛),Scoresbysund(格陵兰岛),和Ammassalik(格陵兰岛)。此外,并行的斯瓦尔巴特群岛的测量数据和元数据档案作为补充信息。标准正态Homogenity测试(Alexandersson [15],Hanssen-Bauer和Førland [16])是应用于系列,个人的研究结果验证了电台的历史。通过本系列homogenity每月为斯瓦尔巴特群岛建立了气温和降水机场回到1911年底(14]。没有明显的违规行为的斯瓦尔巴特群岛本身温度记录(图1)以及小波图(数字3和5),相应的已知站的时间变化,证明了均化的质量。

单一化斯瓦尔巴特群岛的温度记录的一个重要特征是显著变暖1917 - 1922年,海平面改变真理正义之神从−12.2°C−4.9°C。然而,目前还不清楚如果低起始温度记录(图1)是典型的小冰河时代条件在斯瓦尔巴特群岛,或如果它只代表的顶点decal-scale冷时期过渡到小冰河期后温暖的条件。从挪威北部比较早期的记录(例如,阿尔塔机场,70.0°N 23.4°E, 1880 - 1939;Vardø,70.37°N 31.10°E, 1840 - 2010;Mehaven-Sletnes, 71.9°N 27.8°E, 1899 - 1940年)表明,这很可能是这样的。从这些站点,斯瓦尔巴特群岛真理正义之神在1912年之前的十年大概是1 - 3°C以上记录在1912年和1917年之间。如果是这样,每十年0.23°C的线性趋势计算1912 - 2010年的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录显示一个不切实际的高整体温度升高率在过去的一个世纪。如果一个而不是计算两个温度峰值之间的趋势在1938年和2006年,线性十的趋势仅0.14°C。显然它不稳定的计算是一个总体趋势较低峰值。稍后我们将简要地回到这个问题。

1917 - 1922年气温上升后,斯瓦尔巴特群岛记录的特点是一个温暖的时期持续到1955年左右,相对较冷时期持续到1990年,再次变暖持续至少到2006年。鉴于许多年代际变化显然是叠加在整个模式的变化。从图1,看到真理正义之神的变化主要源于在冬季温度变化,而夏季温度显示小的变化。自1990年的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神已经上升了大约3 - 4°C,但它是不可能确定这个温度增加是更持久的前缘增加所显示的气候模型,鉴于或仅仅代表一个典型年代际振荡。事实上,自2006年以来减少真理正义之神表明一个振荡。

3所示。傅里叶和小波分析

气候数据系列的目视检查常显示周期性变化的存在,和傅里叶分析是一个有价值的工具,用于识别这样的自然变化。然而,描述人物(持久性、周期和振幅)循环模式是非常困难的,因为他们经常来来去去,在每个外表只持续一段有限的时间。尤其是个人的随时间动态周期可以复杂的分析。出于这个原因,振荡可能难以描述完全从一个正常的傅里叶功率谱。克服遇到的问题当循环变化改变他们的周期和振幅,因此我们采用小波分析(17在斯瓦尔巴特群岛)来识别和描述振荡变化温度记录作为傅里叶分析的补充。更全面的描述小波分析是由一如和混合涂料18和Humlum et al。4]。小波分析曾被纳入气候研究中使用(例如,刘和翁19),一如和混合涂料18),Baliunas et al。20.伊萨克松],et al。21),巴特勒et al。22),Chylek et al。23],Humlum et al。4]),但直到现在这项技术只有收到气候温和的兴趣社区。

一般来说,根据Nyquist-Shannon抽样定理(24),只有频率低于fs / 2应考虑分析,在哪里fs代表采样频率。作为一个例子,对于一个数据系列代表每年只值频率低于0.5年⁻¹应该考虑,相应时间超过2年。

4所示。傅里叶分析的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录

之前进行傅里叶分析在斯瓦尔巴特群岛真理正义之神系列,数据系列的表面价值和1912 - 2010 0.23°C的线性趋势是移除。傅里叶分析的结果显示在图2。斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录被认为是由三个时期约为68.4,25.7,和16.8年的长度,与振幅大于0.8°C。除了这三个主要时期,五个周期与振幅约0.5°C也存在于光谱。这些时间长度约为36.7,12.3,8.7,5.1,和2.5年。

在图所示的重要性水平2peak-based关键限制重要性水平的确定意义的特定价值最大的光谱分量(25]。在这种类型的测试中,一个试图反驳零假设提出一个白噪声信号无自相关(AR(1) = 0.0),或一个红色的噪声信号自相关(AR (1) > 0.0)。红色当背景的噪声功率随频率增大而减小,与自回归值是衡量观测之间的相似度的时间序列作为时间的函数之间的分离。1912 - 2010年的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神系列AR系数0.48决心。

背景设置,光谱峰值功率是比较反对的各种关键的限制(图2)。临界极限是90%这一水平在10个单独的随机噪声信号只有1最高峰将达到这个高度严格由于随机的机会。同样,达到峰值50%临界极限有一半对一半的概率,这可以从机会出现严格。这里使用的临界极限测试是不同于传统的信心或重要性水平,只适用于一个单一的数据集。例如,一个标准的90%置信上限将指定一个水平,10%的点在一个光谱会躺上面这个高度严格由于随机的机会。

暴露在临界极限测试的频率峰值图所示2在统计上是非常强大的。只有2.45年临界极限峰值接近90%,因此替代零假设,所观察到振荡代表噪音,无法拒绝使用peak-based临界极限测试。然而,这并不意味着振荡观察是红色的噪音,而仅仅是太弱的证据证明他们的统计学意义。进一步,稍后我们将演示通过小波分析,傅里叶峰值强度弱的原因是部分的振荡是完全稳定的随着时间的推移,而是不同的强度和频率。傅里叶的峰值强度降低。类似的观察导致波里亚克(7)表明,这样的时间可能只代表随机现象。然而,随着几个最强的振荡如图2发生在数据从其他站在北大西洋地区(Humlum et al。26]),我们暗示斯瓦尔巴特群岛的温度信号并不完全是随机的。此外,(振幅)的影响至少有三个识别振荡(> 0.8°C)大,因此这些振荡不重要。尽管他们的意义只有接近50%的临界极限,他们仍然重要了解斯瓦尔巴特群岛真理正义之神系列。同样,它可能是一个统计上的重要因素是没有一点实际意义,如果小的影响因素。

强大的时期,如68.4,25.7,和16.8年时间可能较弱谐波如果他们不完美的正弦变化,这或许可以解释发现的一些短期的傅里叶分析,例如,36.7,12.3,和8.7年。这种短期可能因此无法提供新的信息来源,除了基本变化偏离是一个完美的正弦变化。另一方面,一个观察潜在的谐波变化不需要来自长振荡,但可能代表一个独立的振荡。时,应该行使小心解释光谱信息,如如图2。

可能的起源的一些时间,10.5年周期约为0.4°C振幅可能代表一个太阳能信号的记录,而较强的8.7年时期几乎是相同的一个著名的月球轨道周期(8.85年),因此不可能调和长16.8年的时间,但真正的振荡在自己的权利。可能的起源的一些其他识别时间下面将进一步讨论。2.45年振荡强在统计意义上和振幅。这就解释了为什么很少超过两个连续冷或暖年记录在斯瓦尔巴特群岛。

5。小波分析的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录

之前分析的斯瓦尔巴特群岛温度记录去趋势通过拟合线性趋势,1912 - 2010年的数据,然后减去这个数据。去趋势的数据集是由连续小波变换分解,即嵌入式信号的时频表示了良好的时间和频率分辨率。傅里叶分析(图2)建议超过10的存在振荡幅度至少0.4°C的数据集,我们指定一个波数的10。

图3显示了复杂的小波分量在时间和频率域的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录。这种类型的小波图在个人的时间恒功率振荡,通过结合正面和负面的峰值(实部)到一个高点,比真正的组件,从而更清楚地显示的程度确定振荡在时间和频率域。我们用零填充(扩展数据系列最后0)消除的文物,尤其是低频,锥内的光谱权力可能会有所影响相比,他们的真实值。

小波分析发现几个循环变化在斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录。自1912年以来的四个主要时期约83,62年,26岁,和16.8 - -16.7年描述整个记录。大约83和62年振荡强劲和持久,但是他们完全是位于锥形的影响力。约26和16.8 - -16.7年振荡是强大的,但近年来正在向不太影响。弱振荡约36 - 37年也是可见的记录,但由于近年来减少影响。然而,最近明显减少光谱权力这些时间可能是一个人工制品来自零填充。

几个短振荡在斯瓦尔巴特群岛还发现了真理正义之神记录:关于12.5 - -11.6和8.8 - -7.8年。然而,在上面的振荡周期相比,这些短振荡不代表稳定的现象,这就是为什么他们不出现类似的力量在傅里叶分析(图2)。12.5年期间最初是强大,但信号大小和时期有所下降(现在的11.6岁)在观察期内。然而,大小的减少可能部分是补零的产物,而不是逐渐变化的频率。并行发展,约8.8年期间增加的重要性,直到1985年左右,之后,显然已经开始疲软,尽管可能也补零效应。同时略微发生频率增加,所以现代长度有点短,约为7.8年。分析真正的组件(这里没有显示)表明,振荡目前都是附近最低的权力,他们可能获得的重要性在未来几年。短时间都相对较弱,主要控制在斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录一直是长周期变化;特别是83年,62年,26岁的(图-16.7和16.8年周期3)。除了时间如图3在4年(截断),约2.5年期间发现的傅里叶分析(图2)也确定了小波分析。这一时期强劲主要是1965年到1980年之间,而此后则涉及较少。

大部分的时间确定的小波分析也认可的傅里叶分析(图2)。然而,一些的时期可能是相互关联的:62年,37-36,26日和16.8 - -16.7年时间可能代表的分谐波约8.8年。

5.1。观察到的潜在物理控制周期

物理的解释可能会建议一些周期的确定,详细讨论过的Humlum et al。4]。的进动节点和地球的月球的轨道章动有一个近似周期18.6年。导致小加速和减速的潮汐隆起地球移动,这可能会导致小洋流的变化将热量向高纬度地区,例如,在北大西洋。海洋表面温度的变化可能会影响大气的温度高于海洋(Keeling和沃尔夫(27]),可能有一个潜在的月球轨道变化之间的联系和真理正义之神记录气象监测站附近的一个主要的海洋,如在斯瓦尔巴机场气象台。

月球和地球的轨道变化一直以来建议影响长周期潮汐海洋,气候周期和变化的海洋微生物(佩特森[28- - - - - -31日])。后来Maksimov和斯米尔诺夫(32和库里33- - - - - -35]分析了北大西洋的表面温度,发现温度周期接近月球节点周期18.6年。此外,18.6年节点潮流有一个向极速度分量(36),大约有7%的幅度月球日组件(37),这可能会影响海洋表层和空气温度高纬度地区(罗耶[38];Keeling和沃尔夫(27])。Yndestad [39- - - - - -41实际上是能够识别谐波和谐波月球节点周期18.6 / 3 = 6.2年,18.6,3×18.6 = 55.8年,4×18.6 = 74.4年温度系列从挪威大陆之间的巴伦支海和斯瓦尔巴特群岛。

62 37-36,26岁,16.8和8.8年时间由小波分析(图确定3)可能被解释为月球的信号。8.8年时间非常接近基本8.8504年农历时期,也称为远近点线的衰退时期,和更长时间可能代表这个基本周期的次谐波。另一方面,这并不如此,有些时间可能代表振荡在他们自己的权利。举个例子,62年期间的其他记录(例如,6]),和一个长约60年期间也被发现在太阳系的重心的运动(42]。

之间的相似性识别斯瓦尔巴特群岛62年真理正义之神,大西洋数十年振荡的变化(AMO, (43])也应该指出(图4)。AMO模式的变化发生在北大西洋海洋表面温度场,基本上代表了北大西洋海表温度(SST)指数。这种相似性也适用于真理正义之神的整体变化在观察期间,强调大西洋海面温度的影响空气温度记录在斯瓦尔巴特群岛上。

更长的83年期间可能对应于太阳能Gleissberg周期(Wolfgang Gleißberg命名),从50到140年,最大的约88年(44黑尔),对应的四倍周期22年。然而,考虑到有限的长度(98年)的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神数据系列,这么长时间振动完全坐落在锥影响及其明显的存在应该不会解释太多的细节。

因此,月球和太阳都可能出现在斯瓦尔巴特群岛记录信号。大部分的周期确定超过15年似乎几乎固定的周期长度和静止的信号幅度,而短的周期不稳定,往往会随着时间的推移(图3)。更多的工作是必要的,但它仍然是一个可能性,这些短而不是很强的振荡应视为噪音。事实上,傅里叶分析(图2)表明,这可能是对的。然而,一些更强的时期确定的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神记录类似的时期中观察到巴伦支海表面温度(Yndestad [39- - - - - -41]),再次强调气温在斯瓦尔巴特群岛可能深受海洋和海冰条件(见,例如,Benestad et al。45]),这些时间是真实的现象,值得分析。

6。斯瓦尔巴特群岛冬季和夏季温度记录比较

图1显示明显差异的斯瓦尔巴特群岛夏季环流)和冬季(DJF)空气温度,尤其是他们的可变性。图5傅里叶分析的结果显示这两个数据系列,删除后1912 - 2010 0.25°C的线性十的趋势(DJF)和0.10°C(环流),分别。

斯瓦尔巴特群岛冬季记录被认为是由三个时期约为69.7,25.9,和16.7年的长度,与振幅大于1.7°C,就像真理正义之神的记录,反映真理正义之神的冬季气温的重要性。69.7年高峰临界极限接近75%,表明只有1 4个独立的随机噪声信号的高峰将达到这个高度严格由于随机的机会。然而,在统计意义上约2.25年振荡(振幅约1.3°C)是迄今为止最重要的,关键的限制几乎达到99%。这就解释了为什么很少超过两个非常冷或暖的冬天连续发生在斯瓦尔巴特群岛。

夏天记录(较低的图在图5)是由两个时期的80.7和16.8年,这两个振幅超过0.4°C。两个额外的时间,26.4和13.7年,达到峰值振幅值大约0.3°C。最统计显著的周期是2.33年振荡,然而只有小振幅,约0.2°C。这表明一个显著因素有可能没什么实际意义,反之亦然。

因此,根据傅里叶频谱分析,既有异同斯瓦尔巴特群岛冬季和夏季温度1912 - 2010。然而,我们感到鼓舞的总体相似度的光谱冬季和夏季系列。自回归值被发现夏天稍高一些的数据(基于“增大化现实”技术= 0.47)比冬天数据(基于“增大化现实”技术= 0.43)。一般冬天温度振幅比夏天的振幅更大,和差异,冬季和夏季振荡频率增加随着频率增加,大概又反映振荡周期短于15年来来去去,而不再振荡往往更持久。然而,同时它应该记住,承担的能力确定振荡随周期长度增加而减小。

图6显示了小波分析的结果的斯瓦尔巴特群岛冬季和夏季温度记录。冬天的强烈信号级记录(图上)是明显的夏天记录相比,低(图)。自1912年以来的四个主要时期约83,62.5,25.6 - -26.3,16.1 - -17.2年形容冬天记录。较弱的11.9 -12和7.9 - -9.2年时间也存在。83年夏天记录是由,62.5,25.3 - -25.8,16.1 - -16.4年的周期。从光谱的角度来看,两者之间的相似性季节性记录是惊人的,尤其是对振荡时间超过10年,尽管季节性信号的大小是非常不同的。的色标是相同的两个图,强调不同的信号幅度。也见过,虽然所有四个主要时期是强大的,约26和16 - 17年振荡变化对近年来有点小影响。的弱振荡37-38年是可见的在这两个季节记录,但随着近年来降低影响。所有这些相对长时间一直相对稳定在整个时间范围1912 - 2010对大小和频率,甚至影响锥内,光谱权力可能会人为地减少,因为补零。

季节性分析的结果类似于这一事实真理正义之神的结果记录表明,振荡识别真正的特性,不仅噪音或文物来自平均过程用于生产年度纪录。事实上,其他北大西洋温度记录显示类似的振荡(Humlum et al。26)支持这一观点。因此,我们相信这些振荡最可能代表现象值得分析。

在夏季每日气象条件是高度受到传入的太阳辐射的影响,这在78°13′N不断在地平线从4月19日到8月23日。然而,因为附近的海洋,空气温度通常保持相对较低,有7月平均气温为6.5°C (1981 - 2010)。夏天气温也受到当地的风力条件的影响,在一定程度上反映陆海风影响相对较小的区域空气压力差异在夏天。所有这些因素从夏天夏天相对稳定。

在冬季与夏季气象条件非常不同。太阳保持低于地平线从10月28日到2月14日,有很少的入射太阳辐射从12月到2月。地面被雪覆盖,大部分周围的海洋和海湾被海冰覆盖。所以每当平静条件盛行,反演往往在斯瓦尔巴机场发展和温度会低。然而,冬季条件经常刮风,摧毁倒置,不时和温暖的空气质量是流水对北大西洋的斯瓦尔巴特群岛。当这一切发生的时候,气温会大幅上升,在几个小时内10 - 15°C。与此类事件频率高,冬季的平均温度会高,反之亦然在平流的冬天温暖的空气质量发生较少。当地焚风效应也可能是重要的冬季。在一起,这就解释了冬季温度变化的高度比夏天的变化。

平流的热空气质量从低纬度地区转向斯瓦尔巴特群岛发生在所有季节,但冬季是最频繁的。这就解释了为什么斯瓦尔巴特群岛空气温度是耦合在夏季和冬季北大西洋温度条件,以及为什么一些振荡可以承认在夏季和冬季温度记录的光谱(图5)。不是这样,一个期望至少潜在缺席冬季太阳能信号数据。

62、37-36 26日和16 - 17年时期确定的小波分析在冬天和夏天记录(图6)可能被解释为月球的信号。此外,62年期间可能会直接联系AMO [43),大西洋表面温度的指数。冬天短7.9 - -9.2年期间可见记录接近基本8.8504年农历时期,和上述更长时间可能代表的分谐波。然而,正如上面所讨论的,一些长时间可能代表振荡在他们自己的权利,他们也出现在其他类型的环境记录。举个例子,漫长的83年期间可见在斯瓦尔巴特群岛季节性记录可能对应于太阳能Gleissberg周期(44]。

因此,当考虑夏季和冬季周期性变化确定在整个98年斯瓦尔巴特群岛温度记录,海洋,月球和太阳信号都可能出现。大部分的周期确定超过15年似乎几乎静止的周期长度和大小,而短的周期往往随着时间的推移,来来去去。然而,我们的主要目的不是各种振荡的物理解释,和更彻底的分析可能需要同步风力强度和方向的分析数据。

7所示。造型的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神记录1912 - 1990

上面的小波分析显示,多数的主导振荡静止或quasistationary现象,它是可行的构造一个谐波或正弦模型逼近原始数据。这里我们选择集中在斯瓦尔巴特群岛真理正义之神只记录,调查后报和预报能力的建模方法,建立在一个前面分析(4]。

用于我们的算法建模尝试通过非线性优化过程,描述了在4]。一些个人的时间是随时间缓慢变化(图3),必须优化选择正弦曲线频率,振幅,整个时期和阶段调查,因此他们可能会有所不同从两个现代形势和傅里叶分析的结果(图2)。然而,当最强的循环变化相对稳定,证明了小波分析在斯瓦尔巴特群岛的真理正义之神的记录,但这并不代表建设谐波模型的一个主要问题。确定系数()随着样本容量代表一个指南的成功程度模型的优化。

当进行非线性优化构造一个谐波或正弦模型逼近原始数据,原则上可以包含任意数量的周期性变化确定小波分析(图3)。然而,保持简单的分析和说明我们的方法的价值,我们决定只考虑三个重要的周期变化,随着小波分析提出了一个相对较低的数量占主导地位的周期性变化来描述的整体特性记录。我们选择将更多的周期性变化,追算我们的模型的能力会提高,但使用足够数量的变化可能模仿的东西。然而,这里我们的主要目的是证明一个低数量(三)的周期性变化显然解释斯瓦尔巴特群岛的所有主要特征温度记录。生成的模拟数据系列终于retrended产生追算堪比真正的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神1912 - 1990(图7)。

调查现实预测时间范围的长度,如果任何,我们接下来进行了一系列外样品测试,斯瓦尔巴特群岛真理正义之神系列是截断逐步在去年的纪录(2010)。从产生的截断系列,我们预估截断和2010年之间的时期,为这一时期与已知的数据。由这个结果,我们仍然可以产生有用的预测早在1990年,直到2010年删除。1912 - 1990年的非线性优化截断数据系列导致优化模型结合三个时期为71.7,24.9和15.3年。这个原始数据被追算确定系数= 0.36 ()。相比较而言,相同的数据产生的线性回归系数的测定()只有0.02。

three-period-only模型再现了所有主要功能显示的斯瓦尔巴特群岛(图1912 - 1990年的记录720世纪初),包括快速变暖1917 - 1922,温暖的峰值1930 - 1940年,另一个温暖期集中在1955 - 1957,随后冷时期最终1967 - 1968,和不断上升的温度从那时直到2006年左右。换句话说,如果我们做了这个预测早在1991年,现在观察到温度峰值2005 - 2007可以预测,即使在1991年没有迹象表明这样的未来发展。

预测1991 - 2010年期间代表大约26%的截短的长度1912 - 1990系列斯瓦尔巴特群岛。我们调查的年度分布模型(模型-真理正义之神),没有发现错误的变化在1990年截断误差分布及其大小。错误1991 - 2010仍基本上相同的那些描述前一时期1912 - 1990,与随机分布之间的积极的和消极的价值观。这表明我们的简单three-period-only模型管理保持正轨的观测数据对整个时期,1990年前后。典型的年度模型误差是1 - 4°C,这对个人是一个巨大的错误。显然我们的模型不应该测试(伪造)在短期时间内,但在数年。适合模拟值之间和简单移动平均9年表明预测伪造约9年的时间范围为我们简单的1912 - 1990 three-period-only模型。

更多的工作有用的预测时间范围的这种方法显然是必要的。然而,我们的初步经验进行样本外测试就像上面的其他几个系列气象显示有用的预测时间范围为10 - 25%的背景数据系列的长度。时间序列的主要时期随长度和强度方面显然有一个相对较短的预测时间范围,而系列的特点是更稳定的占主导地位的时期(如斯瓦尔巴特群岛系列)预测更长时间范围。

8。建模和预测使用斯瓦尔巴特群岛真理正义之神记录1912 - 2010

我们下开发了一个优化模型为整个1912 - 2010观察期间,仍然只使用三个输入周期。这导致一个模型结合的74.3,24.5,和17.1年(见表1上市时间),原始数据是追算确定系数= 0.47 ()。相比较而言,相同的数据产生的线性回归系数的测定(0.14)。可以指出,74.3年期间发现和使用的相关优化模型可以被视为基本月球周期18.6年(4×18.6 = 74.4年),24.5年周期是相同的第三谐振周期74.4年的周期(74.4 / 3 = 24.5年)。17.1年模型时期接近16.9 - -16.7年期间发现的小波分析(图3)。原则上,即使是最好的优化模型可能会产生的结果没有真正的物理意义,但是,在我们看来,当它是可能的结果与已知的物理现象这把价值模型的支持。

从图8看到我们three-period-only优化模型再现了所有主要功能显示的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录,包括1917 - 1922年20世纪早期快速变暖,温暖的峰值1930 - 1940,另一个温暖期集中在1955 - 1957,随后冷时期达到顶峰1967 - 1968,一个温暖的时期1970 - 1975年一个寒冷的时期大约在1980年,最后直到2006/2007随后的变暖。

年度模型错误通常是1 - 3°C。有点小误差相比,1912 - 1990年的分析是由于更长的数据集和提高主导振荡的决心。年度错误的传播被认为是随机的,不显示趋势的主导地位或正面或负面的价值观,证明我们的简单三模型为整个记录不偏离正确的轨道。小波分析(数据3和6)表明,占主导地位的变化记录稳定对强度和大小。这表明变化的强大现在很可能继续没有重大变化至少在未来的某个时间,因此可能会影响未来的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神。基于优化1912 - 2010模型因此我们生成了一个预测的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神,直到2035年,如右边所示图的一部分8。这代表了大约25%的原始数据序列长度。

我们的预测显示未来真理正义之神在斯瓦尔巴特群岛下降到2015 - 2017左右,紧随其后的是一个新的变暖的时期,2026年左右达到顶峰。下面这个未来温度峰值真理正义之神再次预测下降。如前所述,我们预测可能会受到一个不切实际的高线性趋势1912 - 2010。应该真正的总体趋势是较低的,我们认为,这将改变我们对相应预测温度低于如图7。作为我们的模型追算1912 - 2010(图8)是靠近简单移动平均7年,我们建议一个伪造的时间尺度约为7年。将额外的周期模型中会产生一个更详细的预测和伪造时间范围有点短,但是这里我们的目标是证明斯瓦尔巴特群岛的所有主要特征温度记录可能复制相结合的周期性变化。表1显示所有的主要时期发现或用于上述分析的斯瓦尔巴特群岛真理正义之神的记录。

Solheim et al。46)使用一个模型基于太阳周期长度之间的实证关系和斯瓦尔巴特群岛真理正义之神预测温度在斯瓦尔巴特群岛地区未来十年。这个分析是完全不同于本文中使用的方法,但也导致整体降低温度的预测在接下来的十年中,这里给出的预测。本协议支持我们的解释,一些振荡识别的斯瓦尔巴特群岛温度记录可能来自太阳的变化,而振荡识别本文是真实的现象值得分析,尽管他们的统计显著性水准可能出现相对较低,当看到独立于其他记录。

9。结论

(1)这项研究已经确定了持续的循环变化在斯瓦尔巴特群岛温度记录。这些振荡也发现当考虑季节性数据(夏季和冬季),支持振荡的概念是真实的特性,尽管他们的统计学意义相对较低。(2)一些确定的周期对应于已知的循环变化出现在卫星的轨道环绕地球运行,而另一些则可能反映了太阳能的变化。(3)自然循环,在长时间很可能会继续保持强劲没有重大变化在不久的将来。知识等自然振荡未来气候预测是必要的。预测基于傅里叶和小波分析不应被视为纯粹的统计,因为他们是基于观察动力学描述过去的气候变化。(4)强度和持久性的斯瓦尔巴特群岛的几个循环变化确定温度记录表明,自然旋预测未来气候可能可行的斯瓦尔巴特群岛记录,至少在一段有限的时间范围。我们的实证经验表明预测时间范围10 - 25%的总记录长度。(5)斯瓦尔巴特群岛我们实验预测表明,观察到20世纪晚期气候变暖不会继续,但是可能是紧随其后的是变量,但通常没有更高的温度至少未来20 - 25年。这个伪造的时间尺度预测约为7年。(6)描述的自然循环气候模型预测本文被视为补充预测来自气候模型分析,从而代表一个免费气候预报方法基于这样的分析模型。

确认

目前的研究进行了部分奥斯陆大学,大学,部分中心的斯瓦尔巴特群岛(uni)。小波包AutoSignal v.1.7 SeaSolve软件公司,用于数据分析。斯瓦尔巴特群岛从eKlima获得温度数据系列使用互联网数据门户由挪威气象研究所。摘要大大受益于一个匿名裁判的言论。