文摘

降雨是一个复杂动力学过程。在本文中,我们的目标是找到证据雨自组织临界状态(SOC)的数据集在中国采用SOC的理论和方法。出于这个原因,我们分析了长期降雨记录五个气象站在河南,中国的中部省份。三个概念,即持续下雨,干旱持续时间,雨雨积累量,提出了描述这些事件过程。我们调查他们的动力学属性通过规模不变和中国中部发现长期降雨过程的确具有自组织临界性的特点。提出的理论和方法可以适用于分析其他数据集在中国不同气候区。

1。介绍

中国不仅是一个人口大国,但也是一个巨大的农业。雨水灌溉用水的主要来源,在作物生长期中发挥着关键作用。没有雨会导致干旱,风暴可能导致洪水。保持足够的农业生产可持续发展,有必要确定雨很明显的作用,对雨的特点深入的了解。特别是,分析中国中部的雨更重要,因为这一地区的主要作物源和人口密度非常高。

Rainis liquidprecipitation,相对于流体类型的降水等assnow andhail等等。降雨是大气运动的结果,是受太阳辐射的影响,海水蒸发,地球自转。事实上,长期的降雨记录是一个时间序列,可以视为一个随机过程。降雨过程实际上是一个复杂系统,因为有太多的影响因素。

在先前的研究中,应用了许多数学方法找到降雨模式,如周期、趋势,变化点,分形。基于过去的1033年历史数据集,江分析了时间和空间气候变化通过使用一个“墨西哥帽小波变换(1]。Bordi标准化降水指数(SPI)用来评估该地区的气候条件和应用主成分来捕获模式的co-variability指数在不同测量站(2]。结果表明中国中东部的北部正在经历干旱从1970年代开始更频繁地表示通过SPI的负面趋势时间序列。应用双三次插值和最优拟合方法,王等人建立了一个统计模型(3Yu),使用灰色和模糊方法的应用程序(4),让雨预测。采用混沌动力学理论对降雨,Rodriguez-Iturbe et al。5和王et al。6,7)发现,关联积分的特点和李雅普诺夫指数的历史数据提供初步支持混沌动力学的奇怪吸引子的存在。使用关联维数方法,逆方法的非线性预测方法,和代理数据的方法,湿婆Kumar发现降雨数据表现出非线性行为和可能低维混沌,暗示短期预测基于非线性动力学可能(8,9]。拉米雷斯使用前馈神经网络和弹性传播学习算法分析雨数据之间的关系和潜在的温度、风的垂直分量,特定的湿度,空气温度,可沉淀的水,相对涡度以及水分通量散度(10]。

之前的所有作品都基于一个假设,即长期降雨过程是随机或混沌。然而,雨过程之间的边缘位于混乱和决心。有必要发展新的理论和方法来解决这种情况下。

近年来,一个新的视角,这被称为自组织临界状态(SOC),吸引了应用数学家,气象学家,气候学家和环保主义者。自组织临界性是贝克提出的et al。11- - - - - -15]。自组织临界性是指许多系统的趋势由能源输入速度缓慢和持续进入状态的特点是无标度行为。系统的统计数据就像那些附近的平衡系统相变的临界点。自组织临界性是许多重要的发现在统计物理和相关领域的20世纪下半叶,发现有关特别研究的复杂性。最经典的SOC的实例包括常见的自然现象,如地震、雪崩(16- - - - - -19]。降雨事件可以被看作是一个earthquake-like或一个遗憾的事件20.,21]。此外,一系列长期降雨事件也可以视为一个类似的活动,是一个复杂动态过程和自组织临界性的特点。

安德拉德分析长期每日雨气象站的记录世界各地的特别强调半干旱地区,发现存在的一些证据SOC与这些数据22]。Peters等人调查了欧洲下雨和基金展品SOC的特点(23- - - - - -25]。然而,到目前为止,我们还没有看到任何相关的报告,中国雨SOC的文学。在这项工作中,我们选择了五个气象站在河南,中国的中部省份,试图找出SOC的证据。

首先我们假设发生在该地区的降雨事件遵循幂律分布。然后根据理论和方法,我们寻找SOC的证据通过我们的计算和分析。对我们来说我们的目标是确定SOC的存在。

河南是一个省粮食,小麦和石油种子产量,也是一个重要的生产者的牛肉,棉花、猪肉、动物油和玉米。河南人口约9360万年,是广东后的第二个中国人口最多的省份。从这个意义上讲河南在中国是农业和人口大省。降水,尤其是下雨,对农业有巨大的影响。所有的植物生存至少需要一些水;因此农业雨是很重要的。常规降雨模式对健康的植物通常是至关重要的;过多或过少的降雨是有害的,甚至是毁灭性的农作物。干旱可以杀死农作物和增加侵蚀而过度潮湿的天气可能会导致有害的真菌生长。所以研究降雨事件的特点了解干燥和潮湿的拼写是很重要的。 It is consequently helpful to local flood and drought management.

2。数据集

我们下载数据集来自中国的气象数据共享服务体系。这些站点的地理位置显示在图中1信阳和Zhumadian在河南北部、安阳、郑州北部吕氏在西部地区。从气象的角度分类,前两站属于潮湿的亚热带气候区,后三个站在温带气候区。


图1
车站分布,名叫安阳、郑州,吕氏,Zhumadian,信阳。

网站名称、网站数量,经营期限和位置表中列出1。站数量是通用国际代码是WMO的数字。遗忘地操作期间不等于在不同的电台。的格式,分钟,其次是用来代表测量站的位置。

表1
观察网站站数量,相应的时间估计,和位置。

原始数据集应该包含每天下雨,但在某些情况下可能发生丢失的数据。因此这些之前需要进行预处理插值的方法进一步分析。数据预处理后,我们五个系列图的阴谋2的水平轴代表时间的降雨天纵轴显示每日雨(0.1毫米)。


图2
河南省五雨系列的阴谋。

3所示。方法的分析

3.1。规模不变

物理学的伟大成就之一,在过去几十年一直在许多尺度与波动现象的理解。在高能物理、临界现象和流体动力学通常可以建立扩展的存在或规模不变的政权变动( )领域的兴趣( 在小范围内 在大规模 是放大的因素 ,在那里 尺度参数。这可能是写的更简洁 在哪里 , , 理解、平等的概率分布,也就是说, 如果 对所有 概率,公关手段。

节1,我们说我们的工作目标是找到的证据SOC的降雨过程。看出来,我们需要构建数学模型和我之间的关系SOC和长期降雨记录。在SOC的文献,幂律分布(缩放或尺度不变性)经常被用来当作一种工具来证明一个SOC的复杂动态过程的特征。揭示了现有的SOC在雨中过程中,一开始我们定义了一个雨中事件序列的非零连续测量雨率。因此,我们使用三个变量,其中包含雨持续时间,雨干旱持续时间和积累量来描述该地区的降雨事件的特性。

一个物理变量的概率密度函数 (如降雨持续时间、干旱持续时间和积累的雨水在降雨事件)用 累积概率分布(PDF) 。可以定义为PDF 在哪里 最大值在数据集。通过使用直方图综合描述而不是我们避免数据波动引起的低(高)值政权对数的选择。如果 , 和 ,然后 。我们的降雨数据通常局限于范围 和 ,而更高的值只有在极端情况下观察到。因此,我们不能取代 通过 在(2),获得 因此,重对数坐标图 与 绝对偏离直线 。

3.2。算法

基于尺度不变的原则,我们开发2算法对应于持续下雨,雨干旱持续时间和积累量,首先算法是前两项,第二个是积累的雨。

3.2.1之上。过程为雨干旱持续时间和持续时间

降雨持续时间的生活时间是一个连续的降雨,和干旱持续时间是两个降雨事件之间的等待时间。让RD和弟弟站下雨和干旱持续时间,分别。他们的密度分布是离散列如表所示2。

表2
分布模型的降雨持续时间和干旱持续时间。

测试扩展的雨持续时间和中国中部的干旱持续时间,可以由下列程序进行分析。

算法1(累积概率分布计算和情节的雨持续时间和干旱持续时间)。我们有以下:

步骤1。清洗和处理原始数据。

步骤2。情节每日雨雨约会(参见图大小2)。

步骤3。数的数量每一种降雨事件和分配 表的数量列在第二行2。

步骤4。计算累积数量 , 在第三行和列表。

第5步。计算数密度 降雨事件对应第四行和列第四行。

步骤6。根据公式(3),我们采取的对数第一和第四行。通过线性回归技术,我们将获得 。

步骤7。双对数分布的阴谋。

3.2.2。过程积累的雨水

在摘要中,积累了雨,这是象征着ARA,代表了雨总额在一个下雨的事件。然后,基于一步1和步骤2在算法1ARA的过程分析算法可以紧随其后2在下面。

算法2 (ARA的累积概率分布计算和绘制)。我们有以下:

步骤1。通过计算我们得到一个新的ARA的ARA系列 ,在那里 代表的降雨事件的长期记录。

步骤2。让 , 和分区闭区间 成子区间 。在这里, 可以通过使用以下公式计算:

步骤3。如果 是所有的子区间的数量,我们计算的时候出现的 在每个时间间隔和注意他们 , 。

步骤4。计算累积数量 , 。

第5步。计算数密度 。

步骤6。取对数 和左端点 。通过线性回归技术,我们将获得 用公式(3)。

步骤7。双对数分布的阴谋。

4所示。结果和讨论

根据算法的步骤1,长期降雨在图所示2。信阳站和Zhumadian站,位于河南省南部,是上面绘制。安阳站相比,郑州站,吕氏站,位于北部的省份。

4.1。降雨持续时间和干旱持续时间

对应表2降雨持续时间的计算结果列在表中3。数据集太大,在这里我们只列出郑州站的数据。

表3
天的采访和弟弟;ARA(0.1毫米)/雨事件。

计算结果对降雨持续时间和干旱持续时间显示,降雨时间和雨,干旱,干旱持续时间表现出幂律关系。以数密度的对数值为纵轴和雨的对数价值持续时间作为横轴,我们发现雨持续时间的分布数量在信阳车站,Zhumadian站,郑州火车站,吕氏站与它们的功能概要文件(参见图相似3),安阳降雨持续时间的数密度表现出不同的特性。安阳的无标度区范围从1到10,从1到11在其他地方。在这里, ,其他 年代约1.68−波动。受季风气候影响,雨季节开始于6月初在最近9月结束。事实上,这是安阳地区降雨持续时间是最短的河南省。


图3
重对数坐标图的概率数密度为雨持续时间。

查看图3和图4看来,干旱持续时间显示的数密度分布特征与降雨持续时间相同。实际上,降雨持续时间的数密度是不同的在某些方面,如最大时间和没有鳞的地区。此外,要注意干旱持续时间在郑州的数密度和安阳(见图5)。安阳站的规模地区范围从1天到100天,和郑州的扩展点关闭左端100但Xingyang和Zhumadian约50。


图4
重对数坐标图的概率数密度干旱持续时间。

图5
重对数坐标图累积概率数密度的雨。

在这里, 和其他 是关于−1.5。

4.2。积累的雨水多

比较与分析降雨持续时间和干旱持续时间、更难以理解的行为特征长期ARA动力学过程。为了测试如果ARA规模不变,我们计算的ARA数密度分区间隔的算法2。

结果表明,所有五大系列遵循幂律关系规模范围从0.1毫米到60毫米。在这里 , , , , 。信阳的ARA数密度分布和Zhumadian显示类似的配置文件,因为他们在同一气候分类地区亚热带。像节4所示。1ARA在安阳站的特点也不同于其他电台。尽管吕氏站位于西部山区,然而,在郑州火车站ARA的行为特征是相似的。

4.3。讨论

在部分4所示。1和4所示。2我们有降水的长期系列调查记录和成功地找到的证据幂律分布虽然五站位于不同的位置在中国中部。这意味着我们猜(即。,the rainfall in central China takes on the feature of SOC) is right. This also supports the view that atmospheric dynamics is governed, at least in part, by SOC.

简介中所述,SOC的概念是指非平衡系统的状态由缓慢持续能源组织自己输入关键系统。在中间存储能量最终发布的突然爆发,没有典型的规模。从这个角度来看,降雨事件发生在中国中部不是非常不同于那些在其他的地方。像地震、降雨事件是由一个缓慢而持续的来自太阳的能量输入和西太平洋水蒸发。能量的形式存储在大气中水蒸气。然后突然破裂时释放蒸汽凝结水珠。降雨事件的数密度的幂律分布相当于地震Gutenberg-Richter法律。

虽然有不同的地理坐标的五个站,这些 年代秀变化不大,因为毕竟五站社区在一个省。除了地形和地形降水的驱动因素,如太阳辐射和大气环流的模式几乎是相同的。

5。结论

测试假说,自组织临界性的存在长雨过程中部中国在这项工作是我们的目标。通过计算降雨持续时间的数密度,干旱持续时间,和积累的雨水多,我们发现之间的关系数密度函数和降雨持续时间、干旱持续时间和累积量呈现出幂律的特点。换句话说,我们看了自组织临界性的证据长期在中国中部地区的降雨过程。结果,长干和湿法确实是复杂的动力学过程。

河南省气候过渡区,来自南部潮湿的亚热带季风气候变化地区北部半干旱季风温度。这也是地形过渡区。西部山地,东部平原。因为这些原因,天气和气候变化剧烈,interyears。这一点也被从我们的结果和阴谋。湿和干旱的特点是安阳站和信阳站之间明显不同。

在这个工作我们只研究了五个气象站数据集的限制。和最小时间间隔是一天似乎没有足够小的降雨事件的分析。因此,我们将会收集更多的数据集在中国中部和其他地区在未来工作。自组织临界性需要测试在一个小时间间隔和更大的空间,如在小时或第二水平和整个国家的水平。此外,算法2提出应改进的数密度计算累积雨。数密度的持续时间和强度的概念应该重新定义未来的工作一遍又一遍。

确认

这项工作是由郑州技术R & D项目(批准号0910 sgyg21201-6, 43204 - 522)和中国河南省教育委员会(4113 - 521)。作者要感谢李陵博士的有用的帮助。他们感谢匿名裁判对他们有价值的意见和建议。