本文選題：復(fù)雜性　切入點(diǎn)：非線性　出處：《華東師范大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：全球暖化現(xiàn)象正在世界各地以加速的節(jié)拍在發(fā)展,而伴隨全球暖化的結(jié)果之一就是全球氣候及水文循環(huán)正在急劇的改變,氣候-水文過程因氣溫的上升及氣候極端變化而有明顯的調(diào)整。塔里木河流域作為一個干旱區(qū)典型,是氣候水文變化的敏感區(qū)域,許多研究人員對其已經(jīng)展開了大量的研究和討論。對氣候-水文過程的特征及其隨時間演變的規(guī)律和內(nèi)在動力學(xué)機(jī)制的研究,將有助于制定新的環(huán)保治理措施和發(fā)展更有效氣候-水文預(yù)測預(yù)報方法,從而減緩氣候-水文環(huán)境的惡化。 氣候-水文系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成,并受到多圈層、多要素、多尺度的共同作用,子系統(tǒng)之間一種或多種方式發(fā)生非線性的內(nèi)部或者外部的相互作用,導(dǎo)致它們不僅在時間上而且在空間上產(chǎn)生多種復(fù)雜形式的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu),形成了外有壓迫、內(nèi)有非線性耗散的復(fù)雜巨大系統(tǒng),整體表現(xiàn)出復(fù)雜性。其影響因素有很多,例如,人類活動、地理位置、下墊面復(fù)雜的特征等等。但這些因素不是相互獨(dú)立無關(guān)的,而是在各種時空尺度內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的非線性相互作用,從而使得塔里木河流域氣候-水文過程的時間演化過程呈現(xiàn)出內(nèi)在非線性外在復(fù)雜性的特征。 針對上述問題,本文引入分形理論、混沌理論、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論等并結(jié)合GIS技術(shù)對塔里木河流域的氣候-水文過的復(fù)雜性與非線性特征進(jìn)行了系統(tǒng)的定性與定量分析；深入研究了氣候-水文因子某些復(fù)雜的時間演變過程和動力學(xué)機(jī)制；最后分析了氣候-水文過程的臨界自組織行為,對其存在的復(fù)雜性與非線性進(jìn)行初步解釋。 本文主要的研究工作及其結(jié)論如下： 1.首先應(yīng)用重標(biāo)極差法(R/S分析)、消除趨勢波動分析法(DFA分析)以及譜分析法對日平均溫度、日降水量、日平均相對濕度、日蒸發(fā)量和開都河日徑流量序列進(jìn)行分析,研究其長期持續(xù)性特征。結(jié)果表明,五個因子時間序列在較短的時間尺度上(約一年),具有明顯的標(biāo)度不變性,均表現(xiàn)出相類似的較高的長記憶性；而五個序列而在較長的時間尺度上(大于一年),不同因子時間尺度上的冪律特征存在著一些明顯的差異。然后,借助消除趨勢互相關(guān)性分析(Detrended Cross-Correlation Analysis, DCCA)揭示五個因子之間的長程互相性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),F2(S)與s的雙對數(shù)曲線存在兩個甚至三個無標(biāo)度區(qū)間。最后在GIS空間分析技術(shù)支撐下,應(yīng)用聯(lián)合克利金插值法,分析研究了塔里木河流域氣候-水文過程的長記憶強(qiáng)度的空間分布特征。 2.根據(jù)混沌理論,對日平均溫度、日降水量、日平均相對濕度、日蒸發(fā)量和開都河日徑流量序列通過相空間重構(gòu),應(yīng)用Rosenstein算法及G-P算法,分別計算了它們的序列的關(guān)聯(lián)維數(shù)D、最大Lyapunov指數(shù)λ1以及Kolmogorov熵K等特征量。結(jié)果表明五個因子時間序列中存在明顯的混沌特性,是非線性混沌動力系統(tǒng)演化的結(jié)果；塔里木河流域的氣候-水文過程的變化同時具有確定性和隨機(jī)性。最后在GIS空間分析技術(shù)支撐下,應(yīng)用地統(tǒng)計理論,通過三個特征量分析了塔里木河流域的混沌特征和復(fù)雜度的分布。我們發(fā)現(xiàn)在氣候變化復(fù)雜、具有徑流、海拔較高的區(qū)域的值較大,混沌特性較強(qiáng),復(fù)雜度較高,而受氣候-水文過程影響較小的沙漠腹地區(qū)域的值較小,混沌特征較弱,復(fù)雜度較低,趨勢明顯。另外,通過關(guān)聯(lián)維數(shù)D我們知道,D值越小(大),系統(tǒng)的層次越高(低),趨勢越明顯(不明顯)。通過最大Lyapunov指數(shù)λ1,我們還知道五個因子的最大可預(yù)報尺度差異顯著,低值地區(qū)最大可預(yù)報時間較長,高值區(qū)域較短；氣候-水文因子系統(tǒng)的蝴蝶效應(yīng)強(qiáng)弱程度表現(xiàn)為日平均相對濕度日平均溫度日降水量≈日蒸發(fā)量,年徑流量系統(tǒng)蝴蝶效應(yīng)的平均強(qiáng)弱程度表現(xiàn)為和田河葉爾羌河阿克蘇河≈開都河。 3.應(yīng)用兩種多重分形方法(多重分形盒維數(shù))對各氣候-水文因子時間尺度和強(qiáng)度尺度上的多重分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。多重分形盒維數(shù)的分析表明,各因子在整個時間尺度上具有完全不同的多重分形特征,這些特征可以用三個具有明確物理意義的參數(shù)(B,Aa和△f)進(jìn)行定量表征。進(jìn)一步,本文將五個時間序列分為5個或者4個年代,分析了各年代因子的多重分形特征的變化,并結(jié)合塔里木河流域的氣候水文變化進(jìn)行了分析。最后在GIS空間分析技術(shù)支撐下,應(yīng)用聯(lián)合克利金插值法,分析研究了塔里木河流域氣候-水文過程的多重分形強(qiáng)度的空間分布特征。 4.根據(jù)粗�；椒�,將塔里木河流域的逐日平均溫度、日降水量、日平均相對濕度、日蒸發(fā)量和開都河日徑流量序列轉(zhuǎn)化為由5個特征字符{R,r,e,d, D}構(gòu)成的氣候-水文因子符號序列。以符號序列中的125種3字串組成的溫度、降水量、相對濕度、蒸發(fā)量、徑流量的波動模態(tài)為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)(即連續(xù)3d的因子波動組合),并按照時間順序連邊,構(gòu)建有向加權(quán)的溫度波動網(wǎng)絡(luò)(TFN)、降水波動網(wǎng)絡(luò)(PFN)、濕度波動網(wǎng)絡(luò)(HFN)、蒸發(fā)波動網(wǎng)絡(luò)(EFN)、徑流波動網(wǎng)絡(luò)(RFN)進(jìn)而將五個因子的波動模態(tài)間的相互作用等綜合信息蘊(yùn)含于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之中。計算三種網(wǎng)絡(luò)的度與度分布、聚群系數(shù)、最短平均路徑長度等動力學(xué)統(tǒng)計量,從網(wǎng)絡(luò)的角度對比研究五種序列內(nèi)秉性質(zhì)的差異,體現(xiàn)了五種氣候-水文因子變化的復(fù)雜性。結(jié)果表明,五種因子波動網(wǎng)絡(luò)均表現(xiàn)出很強(qiáng)的集聚性和較短的最小平均路徑長度；TFN和RFN的度分布分別服從三段和雙段冪律分布,是具有無標(biāo)度特性的小世界網(wǎng)絡(luò)；PFN、HFN和EFN兼具有無標(biāo)度特性和小世界效應(yīng),既是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)又是小世界網(wǎng)絡(luò)。我們還發(fā)現(xiàn)在五種因子波動網(wǎng)絡(luò)中,一些頂點(diǎn)的頂點(diǎn)度異常高,以這些頂點(diǎn)為代表的溫度波動模態(tài)發(fā)生概率較大,例如,TFN中的節(jié)點(diǎn)RRR、dRR、ReR....。在TFN、HFN、EFN和RFN、PFN的重要節(jié)點(diǎn)中分別大都包含了R、r和r、e兩種符號,這說明塔里木河流域的氣候-水文過程的波動主要以上升為主,前三個因子比后兩者上升的稍快。五個因子波動網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)的介中向心性能力較強(qiáng),4.5%(3.2%、3.2%、0.8%、3.2%)的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)19.71%(19.71%、13.64%、3.4%、13.88%)的中介中心性功能,這些具有拓?fù)浣y(tǒng)計重要性的節(jié)點(diǎn)對于理解五個氣候-水文因子波動的內(nèi)在規(guī)律和波動信息的傳遞等有一定指導(dǎo)意義。根據(jù)5種頂點(diǎn)的平均度在塔里木河流域23個氣象臺站中的排行分布,將它們的主要作用區(qū)域依次定義為：一級度帶、二級度帶和三級度帶。平均度、相似系數(shù)、最短平均路徑長度和平均集群系數(shù)分布存在一定的區(qū)域特征,為通過復(fù)雜性來研究氣候-水文變化的區(qū)域特征提供了理論基礎(chǔ)。 5.首先,五個氣候-水文因子的強(qiáng)度-頻度關(guān)系說明極端氣候-水文事件與小因子值變化事件的過程均可歸因于同一種動力學(xué)機(jī)制。然后,建立具有自身衰減因子的數(shù)值沙堆模型對氣候-水文演變過程進(jìn)行模擬。模型中僅僅通過改因子值的衰減系數(shù),其結(jié)果就可以很好地解釋五種氣候-水文因子實(shí)際的強(qiáng)度-頻度關(guān)系。模型研究的結(jié)果表明,因子自身的臨界自組織行為是氣候-水文過程時間演化的動力學(xué)根源,正是氣候-水文因子自身的自組織臨界性導(dǎo)致了其時間演變中存在冪律關(guān)系。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P208;P339

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1713619