复杂网络对中国温度变化的研究

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本文为分析温度资料的动力学特征,依据粗粒化方法,将中国1961-2002年逐日平均温度序列转化为由5个特征字符{R,r,e,d,D}构成的温度符号序列。以符号序列中的125种3-字串组成的温度波动模态为网络的节点(即连续4天温度波动组合),并按照时间顺序连边,构建有向加权的温度波动网络,进而将温度波动模态间的相互作用等综合信息蕴含于网络的拓扑结构之中。对随机序列和Lorenz系统的混沌序列分别构建随机和混沌波动网络。计算三种网络的度与度分布、聚类系数、最短路径长度等动力学统计量,从网络的角度对比研究三种序列内秉性质的差异。结果表明:温度波动网络的重要节点中大都包含了R、r和e三种符号,这可能对应了全球增暖的背景下,温度的波动主要以上升为主的特征。就整体而言,温度波动网络的动力学拓扑性质与混沌网络相似,与随机网络差异显著,体现了温度变化的复杂性。此外,温度波动网络部分节点的中介中心性能力较强,4%的节点承担了网络12.93%的中介中心性功能,这些具有拓扑统计重要性的节点对于理解温度波动的内在规律和波动信息的传递等有一定指导意义。Lorenz系统对应的混沌波动网络的中介中心性与温度网络类似,而随机波动网络中节点的中介中心性几乎是均等的。因此,有别于传统的Lyapunov指数、分维数等方法,从网络结构拓扑性质这一新的角度验证了温度变化具有类混沌属性,而不是随机波动过程。   在此基础上对温度波动网络进行了更为细致的研究,利用中国地区435个台站1961-2002年逐日平均温度序列,分别构建温度波动网络,并计算网络拓扑统计性质,给出全国的空间分布图像。由单个节点度的差异性,节点RRD,RDD,DRR,DDR,DdR的度数比较显著,以这些节点为代表的温度变化模态发生概率较大,对温度变化的趋势预测有一定的指导意义;给出这5种节点的度数在全国435个台站中的排行分布,将它们的主要作用区域依次定义为:全国型、次全国型、东部型、西南混合型及混合型。各台站的节点度分配与全国平均节点度分配的相似系数分布图存在一定的区域特征,为通过复杂性来研究温度变化的区域特征提供了理论上的基础。依据平均集群系数和平均最短道路长的全国分布的相似性和区域性,将中国地区的温度变化分为三个区域:强复杂区域、中度复杂区域、弱复杂区域。   为了将温度变化发生在时间和空间上的性质进行有效的结合,本文基于复杂网络的二分图原理构建温度网络,利用中国地区435个台站1961-2002年逐日平均温度序列,将温度变化发生在9天时间尺度上的特征编码在网络中,通过研究二分图温度网络(BGT网络)中节点与项目的关系,揭示出9天时间尺度上温度变化的特征及其在空间上的拓扑统计性质。网络中各节点RRRD,RrDD,eeed,DRRD,DDRR等所代表的温度波动模态在网络中异常频发,对9天尺度温度变化的预测有一定的指导意义。统计网络的节点度分布,集群系数等拓扑结构特征量,发现BGT网络服从正态分布特征。BGT网络项目内节点度的多样性大体上表现为江南和华南地区偏少,华东和华中地区偏多,华北地区偏少,东北部分地区偏多的四极型分布特征;且这种区域特征与前面工作中根掘温度波动网络(FT网络)划分的复杂区域存在一定的异同性,两种网络从不同的角度共同揭示了区域内温度变化的背景信息:因此,二分图温度网络的构建为从时间和空间尺度相结合的角度研究温度变化的特性和规律,提供一条可能的有效途径。
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