搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种确定极端事件阈值的新方法:随机重排去趋势波动分析方法

侯威 章大全 周云 杨萍

引用本文:
Citation:

一种确定极端事件阈值的新方法:随机重排去趋势波动分析方法

侯威, 章大全, 周云, 杨萍

Stochastially re-sorting detrended fluctuation analysis: a new method to define the threshold of extreme event

Hou Wei, Zhang Da-Quan, Zhou Yun, Yang Ping
PDF
导出引用
  • 将去趋势波动分析法(detrended fluctuation analysis,DFA)和替代数据法相结合,同时引入启发式分割算法和卡方检验,提出了一种确定极端气候事件阈值的新方法,称为随机重排去趋势波动分析(stochastic re-sort detrended fluctuation analysis, S-DFA)方法. 同百分位阈值方法相比,S-DFA方法明确指出了极端事件和非极端事件之间的临界值. 基于中国气象局公布的中国165个国际交换站19612006年无缺测的逐日日平均气温资料,利用随机重排去趋势波动分析(S-DFA)方法计算并分析了中国极端低温事件阈值的空间分布特征,并对S-DFA方法在实际资料中的应用进行了检验. 从可预报性的角度给出了极端低温事件综合指标的定义. 这一综合指标将极端低温事件的发生频次和强度综合起来,且兼顾了不同地区各自特有的区域气候背景,进一步说明了综合指标定义的合理性. 基于极端低温事件综合指标的空间分布规律,将中国19612006年间极端低温事件分为四个不同等级的地区. 极端低温综合指标整体表现出下降趋势,在20世纪80年代初期之前综合指标的变化具有两个明显的准10年周期,而在这之后则一直处于下降趋势且大大低于平均值,直到90年代中期以后才再次上升至平均值附近.
    By combining detrended fluctuation analysis (DFA) method with surrogate data method, and using the Heuristic segmentation algorithm as well as Chi-Square statistics, we develop a new method to determine the threshold of extreme events, e.g. stochastically re-sorting detrended fluctuation analysis (S-DFA) method. The S-DFA method has a certain phsical background, when the occurrence rate of the data is small, then these data belong to little-probability events and they contain so little information about the dynamic system, the states corresponding to these data are abnormal states or extreme states of the system. When the occurrence rate of the data is large or even in distribution these data do not belong to little-probability events and they contain much information about the system, the states corresponding to these data are normal states of the system. Compared with the Percentile curves method, the S-DFA method gives the critical value between extreme event and non-extreame event, which is definite and unique. We also extensively validate the effectiveness of S-DFA method through extreme event detection.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:41005043,40905034)、全球变化研究国家重大科学研究计划(批准号:2010CB950504)和科技支撑项目(批准号:2007BAC29B01)资助的课题.
    [1]

    IPCC 2001 Climate Change (New York: Cambridge University Press) p155

    [2]

    Soloman S, Qin D H, Manning M, Alley R B, Berntsen T 2007 Climate Chang(New York:Cambridge University Press)p316

    [3]
    [4]

    Xiong K G, Yang J, Wang S Q, Feng G L, Hu J G 2009 Acta Phys. Sin. 58 2843 (in Chinese) [熊开国、 杨 杰、 万仕全、 封国林、 胡经国 2009 物理学报 58 2843 ]

    [5]
    [6]
    [7]

    Feng G L, Dong W J, Gong Z Q, Hou W, Wan S Q, Zhi R 2006 Nonlinear Theories and Metho-ds on Spatial-Temporal Distribution of the Observational Data (Beijing:Metrological Press) p84 (in Chinese) [封国林、 董文杰、 龚志强、 侯 威、 万仕全、 支 蓉 2006 观测数据非线性时空分布理论和方法(北京:气象出版社)]

    [8]

    Zhang D Q, Yang J, Wang Q G, Feng G L 2009 Acta Phys.Sin. 58 4354 (in Chinese) [章大全、 杨 杰、 王启光、 封国林 2009 物理学报 58 4354]

    [9]
    [10]

    Easterling D R, Evans J L, Groisman P Y 2000 Bulletin of the American Meteorological Socie-ty 81 417

    [11]
    [12]

    Render S, Petersen M R 2006 Phys. Rev. E 74 061114

    [13]
    [14]
    [15]

    Zhang D Q, Zhang L, Yang J, Feng G L 2010 Acta Phys. Sin. 59 655 (in Chinese) [章大全、 张 璐、 杨 杰、 封国林 2010 物理学报 59 655]

    [16]

    Yang J, Hou W, Feng G L 2010 Acta Phys. Sin. 59 664 (in Chinese) [杨 杰、 侯 威、 封国林 2010 物理学报 59 664]

    [17]
    [18]
    [19]

    Wan S Q, Gu C H, Kang J P 2010 Acta Phys. Sin. 59 676 (in Chinese) [万仕全、 顾承华、 康建鹏等 2010 物理学报 59 676]

    [20]

    Peng C K, Buldyrev S V, Havlin S 1994 Phys. Rev. E 49 1685

    [21]
    [22]
    [23]

    He W P, Feng GL, Wu Q, Wan S Q, Chou J F 2009 Non. Proc. Geophys. 15 601

    [24]

    Janosi I M,Janecsko B,Kondor I 1999 Physica A 269 111

    [25]
    [26]

    Ausloos M 2000 Physica A 285 48

    [27]
    [28]
    [29]

    Fraedrich K 2002 Stoch. Dynam. 2 403

    [30]

    Lux T, Marehesi M 1999 Nature 397 498

    [31]
    [32]

    Yang P, Hou W, Feng G L 2008 Acta Phys. Sin. 57 5333 (in Chinese)[杨 萍、 侯 威、 封国林 2008 物理学报 57 5333]

    [33]
    [34]
    [35]

    Panlov A N, Sosnovtseva O V, Ziganshin A R 2002 Physica A 316 233

    [36]

    Lee J M, Kin D J, Kim I Y 2002 Computers in Biology and Medicine 32 37

    [37]
    [38]
    [39]

    Ott E 1993 Chaos in dynamical systems (Cambridge, UK: Cambridge University Press) p305

    [40]

    Theiler J, Linsay P S 1993 M Rubin Time Series Prediction: Forecasting the Future and Understanding the Past (Addison-Wesley, Reading Mass. Press) p429

    [41]
    [42]
    [43]

    Timmer J 1998 Phys. Rev. E 58 5153

    [44]
    [45]

    Theiler J, Eubank S, Longtin A 1992 Physica D 58 77

    [46]

    Kugiumtzis D 2000 Phys. Rev. E 62 25

    [47]
    [48]
    [49]

    Timmer J 2000 Phys. Rev. Lett. 85 2647

    [50]
    [51]

    Stam C J, Mpijn J P, Pritchard W S 1998 Physica D 112 361

    [52]

    Bernaola G P 2001 Phys. Rev. Lett. 87 168

    [53]
    [54]
    [55]

    Oliver J L, Bernaola G P, Carpena P, Romn R R 2001 Gene 276 47

    [56]

    Chernoff H, Lehmann E L 1954 The Annals of Mathematical Statistics 25 579

    [57]
    [58]

    Plackett R L 1993 International Statistical Review 51 59

    [59]
    [60]
    [61]

    Greenwood P E, Nikulin M S 1996 Wiley, New York. ISBN 047155779X

  • [1]

    IPCC 2001 Climate Change (New York: Cambridge University Press) p155

    [2]

    Soloman S, Qin D H, Manning M, Alley R B, Berntsen T 2007 Climate Chang(New York:Cambridge University Press)p316

    [3]
    [4]

    Xiong K G, Yang J, Wang S Q, Feng G L, Hu J G 2009 Acta Phys. Sin. 58 2843 (in Chinese) [熊开国、 杨 杰、 万仕全、 封国林、 胡经国 2009 物理学报 58 2843 ]

    [5]
    [6]
    [7]

    Feng G L, Dong W J, Gong Z Q, Hou W, Wan S Q, Zhi R 2006 Nonlinear Theories and Metho-ds on Spatial-Temporal Distribution of the Observational Data (Beijing:Metrological Press) p84 (in Chinese) [封国林、 董文杰、 龚志强、 侯 威、 万仕全、 支 蓉 2006 观测数据非线性时空分布理论和方法(北京:气象出版社)]

    [8]

    Zhang D Q, Yang J, Wang Q G, Feng G L 2009 Acta Phys.Sin. 58 4354 (in Chinese) [章大全、 杨 杰、 王启光、 封国林 2009 物理学报 58 4354]

    [9]
    [10]

    Easterling D R, Evans J L, Groisman P Y 2000 Bulletin of the American Meteorological Socie-ty 81 417

    [11]
    [12]

    Render S, Petersen M R 2006 Phys. Rev. E 74 061114

    [13]
    [14]
    [15]

    Zhang D Q, Zhang L, Yang J, Feng G L 2010 Acta Phys. Sin. 59 655 (in Chinese) [章大全、 张 璐、 杨 杰、 封国林 2010 物理学报 59 655]

    [16]

    Yang J, Hou W, Feng G L 2010 Acta Phys. Sin. 59 664 (in Chinese) [杨 杰、 侯 威、 封国林 2010 物理学报 59 664]

    [17]
    [18]
    [19]

    Wan S Q, Gu C H, Kang J P 2010 Acta Phys. Sin. 59 676 (in Chinese) [万仕全、 顾承华、 康建鹏等 2010 物理学报 59 676]

    [20]

    Peng C K, Buldyrev S V, Havlin S 1994 Phys. Rev. E 49 1685

    [21]
    [22]
    [23]

    He W P, Feng GL, Wu Q, Wan S Q, Chou J F 2009 Non. Proc. Geophys. 15 601

    [24]

    Janosi I M,Janecsko B,Kondor I 1999 Physica A 269 111

    [25]
    [26]

    Ausloos M 2000 Physica A 285 48

    [27]
    [28]
    [29]

    Fraedrich K 2002 Stoch. Dynam. 2 403

    [30]

    Lux T, Marehesi M 1999 Nature 397 498

    [31]
    [32]

    Yang P, Hou W, Feng G L 2008 Acta Phys. Sin. 57 5333 (in Chinese)[杨 萍、 侯 威、 封国林 2008 物理学报 57 5333]

    [33]
    [34]
    [35]

    Panlov A N, Sosnovtseva O V, Ziganshin A R 2002 Physica A 316 233

    [36]

    Lee J M, Kin D J, Kim I Y 2002 Computers in Biology and Medicine 32 37

    [37]
    [38]
    [39]

    Ott E 1993 Chaos in dynamical systems (Cambridge, UK: Cambridge University Press) p305

    [40]

    Theiler J, Linsay P S 1993 M Rubin Time Series Prediction: Forecasting the Future and Understanding the Past (Addison-Wesley, Reading Mass. Press) p429

    [41]
    [42]
    [43]

    Timmer J 1998 Phys. Rev. E 58 5153

    [44]
    [45]

    Theiler J, Eubank S, Longtin A 1992 Physica D 58 77

    [46]

    Kugiumtzis D 2000 Phys. Rev. E 62 25

    [47]
    [48]
    [49]

    Timmer J 2000 Phys. Rev. Lett. 85 2647

    [50]
    [51]

    Stam C J, Mpijn J P, Pritchard W S 1998 Physica D 112 361

    [52]

    Bernaola G P 2001 Phys. Rev. Lett. 87 168

    [53]
    [54]
    [55]

    Oliver J L, Bernaola G P, Carpena P, Romn R R 2001 Gene 276 47

    [56]

    Chernoff H, Lehmann E L 1954 The Annals of Mathematical Statistics 25 579

    [57]
    [58]

    Plackett R L 1993 International Statistical Review 51 59

    [59]
    [60]
    [61]

    Greenwood P E, Nikulin M S 1996 Wiley, New York. ISBN 047155779X

  • [1] 许锦, 郭洋宁, 罗宁宁, 李淑静, 史久林, 何兴道. 水体参数对受激布里渊散射阈值及增益的影响. 物理学报, 2021, 70(15): 154205. doi: 10.7498/aps.70.20210326
    [2] 张菊平, 郭昊明, 荆文君, 靳祯. 基于真实信息传播者的谣言传播模型的动力学分析. 物理学报, 2019, 68(15): 150501. doi: 10.7498/aps.68.20190191
    [3] 苏兆锋, 杨海亮, 张鹏飞, 来定国, 郭建明, 任书庆, 王强. 脉冲电场下两种电极材料表面电子发射阈值特性的实验研究. 物理学报, 2014, 63(10): 106801. doi: 10.7498/aps.63.106801
    [4] 徐艳, 陈飞, 谢冀江, 李殿军, 杨贵龙, 高飞, 郭劲. 半导体抽运铯蒸气激光器阈值特性分析. 物理学报, 2014, 63(17): 174201. doi: 10.7498/aps.63.174201
    [5] 周东方, 余道杰, 杨建宏, 侯德亭, 夏蔚, 胡涛, 林竞羽, 饶育萍, 魏进进, 张德伟, 王利萍. 基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究. 物理学报, 2013, 62(1): 014207. doi: 10.7498/aps.62.014207
    [6] 张文超, 谭思超, 高璞珍. 摇摆条件下自然循环系统流量混沌脉动的检验与预测. 物理学报, 2013, 62(14): 144706. doi: 10.7498/aps.62.144706
    [7] 张小安, 李耀宗, 赵永涛, 梁昌慧, 程锐, 周贤明, 王兴, 雷瑜, 孙渊博, 徐戈, 李锦玉, 肖国青. Arq+入射金表面激发靶原子M-X射线的动能和势能的阈值. 物理学报, 2012, 61(11): 113401. doi: 10.7498/aps.61.113401
    [8] 毛明明, 徐晨, 魏思民, 解意洋, 刘久澄, 许坤. 质子注入能量对垂直腔面发射激光器的阈值和功率的影响. 物理学报, 2012, 61(21): 214207. doi: 10.7498/aps.61.214207
    [9] 邓舒鹏, 李文萃, 黄文彬, 刘永刚, 鲁兴海, 宣丽. 基于透射式液晶/聚合物光栅的分布反馈式激光器的研究. 物理学报, 2011, 60(5): 056102. doi: 10.7498/aps.60.056102
    [10] 侯威, 章大全, 钱忠华, 封国林. 基于随机重排去趋势波动分析的极端低温事件研究及其综合指标的建立. 物理学报, 2011, 60(10): 109203. doi: 10.7498/aps.60.109203
    [11] 赵红东, 张卫华, 李文超, 刘会丽, 孙梅. 电流孔的尺寸对双氧化限制垂直腔面发射激光器阈值的影响. 物理学报, 2010, 59(6): 3948-3952. doi: 10.7498/aps.59.3948
    [12] 杨杰, 侯威, 封国林. 干旱破纪录事件预估理论研究. 物理学报, 2010, 59(1): 664-675. doi: 10.7498/aps.59.664
    [13] 万仕全, 王令, 封国林, 何文平, 汪婵娟, 周国华. 全球变暖对中国极端暖月事件的潜在影响. 物理学报, 2009, 58(7): 5083-5090. doi: 10.7498/aps.58.5083
    [14] 付方正, 李明. 蒙特卡罗法计算无序激光器的阈值. 物理学报, 2009, 58(9): 6258-6263. doi: 10.7498/aps.58.6258
    [15] 杨 萍, 侯 威, 封国林. 基于去趋势波动分析方法确定极端事件阈值. 物理学报, 2008, 57(8): 5333-5342. doi: 10.7498/aps.57.5333
    [16] 王 宏, 欧阳征标, 韩艳玲, 孟庆生, 罗贤达, 刘劲松. 随机性对部分随机介质激光器阈值的影响. 物理学报, 2007, 56(5): 2616-2622. doi: 10.7498/aps.56.2616
    [17] 薛迎红, 王清月, 柴 路, 刘庆文, 赵广军, 苏良碧, 徐晓东, 徐 军. LD抽运Yb:GSO实现1090 nm低阈值激光运转. 物理学报, 2006, 55(1): 456-459. doi: 10.7498/aps.55.456
    [18] 林殿阳, 高洪岩, 王双义, 蒋萧村, 吕志伟. 多纵模受激布里渊散射阈值. 物理学报, 2005, 54(9): 4151-4156. doi: 10.7498/aps.54.4151
    [19] 张新陆, 王月珠, 鞠有伦. 能量传递上转换对Tm,Ho:YLF激光器阈值的影响. 物理学报, 2005, 54(1): 117-122. doi: 10.7498/aps.54.117
    [20] 郝建红, 丁 武, 张治畴. 行波管放大器中场极限环和混沌行为的阈值分析. 物理学报, 2003, 52(8): 1979-1983. doi: 10.7498/aps.52.1979
计量
  • 文章访问数:  8901
  • PDF下载量:  807
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2010-11-15
  • 修回日期:  2011-01-07
  • 刊出日期:  2011-05-05

/

返回文章
返回