滨海滩涂地区降水变化的多尺度周期特征分析与趋势预测

利用1953-2011年共59a的长序列降水资料,采用Morlet小波和Mexican Hat小波变换,分析滨海滩涂地区东台市年降水量及各季节降水量的多尺度周期振荡特征和演变趋势。两种小波分析的综合比较表明,Morlet小波在揭示滨海降水序列周期细节特征和提升主周期特征的显著性水平方面更具优势。研究结果表明,滨海滩涂地区降水量变化以年代际尺度为主周期,其中夏季降水与年降水周期均具24a、16a和9a的第一、二、三主周期,春、秋和冬季降水主周期则分别为16a、23a和17a;研究区降水量在年代际尺度上的周期特征与江淮地区降水量的整体特征一致,但是滨海地区地理位置的特殊性使其降水量在年际尺度上的周期振荡显著水平较低;根据研究区降水量在年代际尺度主周期上的振荡特征,预测研究区未来8~12a的年降水和夏季降水,未来8a的春、冬季降水,未来11~12a的秋季降水均可能呈整体偏少趋势。研究结果可拓展小波分析的适用机制理论研究领域,对滩涂围垦和气候变化背景下的滨海地区气候变化研究以及农业稳定发展提供理论依据。     

基于标准化降水指数的北疆地区近52年旱涝变化特征

21世纪以来极端气候事件频发,其中旱涝灾害对人类影响最为明显。该研究以北疆为例,选用标准化降水指数SPI（Standard Precipitation Index）为干旱指标,基于北疆地区23个气象站的1961—2012年逐月降水数据,运用趋势分析法、EOF法、REOF法和ArcGIS中的Kring插值工具,对其旱涝时空变化特征进行了研究。结果表明:过去52 a北疆地区气候呈湿润化趋势,年代和年际尺度上,干旱逐渐减少,雨涝则逐渐增多。年际尺度上,北疆地区不同时间尺度的SPI都呈增加趋势,表明其湿润化的趋势加强。年代尺度上,1960s和1970s干旱频次大于雨涝频次,而在1980s—2000s雨涝频次大于干旱频次。且北疆地区的旱涝在区域空间分布上呈现四种差异型,并以此划分为四个旱涝区域:北部地区（降水适宜区）、东部地区（极度干旱区）、西部地区（干旱区）和中部地区（雨涝区）。季节尺度上,中部的石河子、托里、克拉玛依和北部的福海地区都是相对湿润区域,东部的青河、北塔山和奇台地区则是相对干旱的区域。     

1955-2012年南北疆气温、降水及相对湿度趋势分析

利用新疆境内的12个国家标准气象站1955—2012年温度、降水和相对湿度数据,通过气候趋势分析、气候突变分析及Morlet小波分析等方法,研究近60a来南北疆气候变化特征。结果表明:1)近60a来南北疆的温度总体呈上升趋势,并以北疆增温幅度较南疆明显;不同温度指标的增幅大小排列为:年平均最低温度(Tmin)年平均温度(Tmean)年平均最高温度(Tmax);2)南北疆的年平均温度(Tmean)、年平均最高温度(Tmax)、年平均最低温度(Tmin)均有突变发生。其中,北疆的突变时间均在1987—1989年,南疆的突变时间均在1993—1994;3)南北疆年降水量的变化趋势不如气温变化明显,总体上呈增加趋势,北疆降水量变化相对稳定,而南疆呈增加趋势;南疆的年均降水量在1981年发生突变;而北疆的正反序列曲线均未超过95%置信度线,未出现突变点;4)北疆年均相对湿度总体上呈减少趋势,而南疆总体上呈增加趋势;南北疆相对湿度总体经历了"增加—减少—增加—减少"的变化。从全区来看,进入21世纪南北疆相对湿度均急剧减少;5)Morlet小波分析结果显示,南北疆的气温均存在4a和8a的明显周期,降水量、相对湿度均存在3a,6a和16a左右的周期变化规律。     

洮河流域气候变化及其对水资源的影响

利用洮河流域气象观测资料和水资源定位观测资料,分析气候变化特征、水资源变化特征及其二者的关系,建立水资源气候模式。分析表明:洮河流域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率在-14.5~-4.6 mm/10 a之间,降水量递减以夏季降水量递减为主。气温年际变化趋势呈显著上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率在0.12~0.59℃/10 a之间,增温率以冬季最大,年际变化趋势从20世纪70年代之后持续上升。年干燥指数变化呈显著上升趋势,年干燥指数变化曲线线性拟合倾向率在0.05~0.12/10 a之间。近50年来洮河流域气候趋于暖干化。洮河流域水资源呈显著下降趋势,年际变化存在2~3,8~9,15 a的年际周期变化。水资源与降水量呈显著正相关,与干燥指数呈显著负相关,降水量减少,干燥指数上升,导致水资源减少。     

华东地区降水周期特征及其影响因素分析

根据华东地区32个站点1951-2010年逐月降水量资料,在运用多窗口谱和小波分析方法对降水周期特征进行分析的基础上,利用太阳黑子、南方涛动等相关环流指数与降水序列进行交叉小波分析,探讨影响华东降水周期变化的主要因素。结果表明：华东地区的降水周期在年际和年代际尺度上都有所体现,其中以年代际尺度上的11.6～12.3a周期最为显著,其次为年际尺度上6.0a和4.0a的周期,且不同的周期信号对降水的影响存在阶段性。对华东地区降水周期特征影响较大的因子中,以太阳黑子的影响最为显著,主要体现在准12a周期活动上,其次南方涛动指数、西太平洋副高强度指数和南海副高强度指数对华东降水的影响也较为明显,在准12a和2～8a周期上都有所体现。     

区域气候变化对华东地区水稻产量的影响

为揭示区域气候变化对华东地区水稻产量的影响以及水稻产量波动的原因,采用功率谱和交叉小波变换方法分析了近59a来华东地区水稻产量、平均气温和降水量的时频变化特征以及水稻产量与区域气候变化之间的关系。结果表明：华东地区水稻产量和区域气候均存在年际和年代际尺度变化周期。气象产量与生育期平均气温以正相关关系为主,局部时域中也存在不同频率尺度的负相关;主要表现为2～3a、4～6a、10～14a和16a尺度的强凝聚性耦合振荡,两者年代际尺度显著相关具有阶段性而年际尺度显著相关具有时域局部化特征。气象产量与生育期降水量之间存在准2a、3～4a、8～10a和16a左右的显著共振周期,1985年以前的降水偏多期两者以负相关为主而1985年以后的降水偏少期则多为正相关关系,负相关耦合振荡的凝聚性明显大于正相关耦合振荡。华东地区水稻产量波动与区域气候变化关系密切,气候变暖对水稻产量的影响远大于降水量减少所产生的影响。气候异常导致气候灾害频发是华东地区水稻产量波动的主要原因。     

洮河流域气候变化及其对水资源的影响

利用洮河流域气象观测资料和水资源定位观测资料,分析气候变化特征、水资源变化特征及其二者的关系,建立水资源气候模式。分析表明：洮河流域降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率在-14．5～-4．6mm／10a之间,降水量递减以夏季降水量递减为主。气温年际变化趋势呈显著上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率在0．12～0．59℃／10a之间,增温率以冬季最大,年际变化趋势从20世纪70年代之后持续上升。年干燥指数变化呈显著上升趋势,年干燥指数变化曲线线性拟合倾向率在0．05～0．12／10a之间。近50年来洮河流域气候趋于暖干化。洮河流域水资源呈显著下降趋势,年际变化存在2～3,8～9,15a的年际周期变化。水资源与降水量呈显著正相关,与干燥指数呈显著负相关,降水量减少,干燥指数上升,导致水资源减少。     

阿拉善荒漠地区近50年气候变化的多时间尺度分析

利用阿拉善地区1961—2005年的气温、降水实测资料,分析了不同时间尺度下年平均气温、年降水量序列变化的周期和突变点,揭示了阿拉善地区近50a气候变化的多时间尺度特征,并根据主周期对未来气温和降水变化进行预测。结果表明：阿拉善地区的气温在20世纪80年代开始大幅度上升,突变点在1986年。80-90年代降水量很少,为干旱期,年降水量的突变点为1980年。根据气温和降水小波变换的主周期预测：未来阿拉善地区的气温可能升高,降水可能减少,即气候有暖干化的趋势。     

西北地区夏季降水的气候特征分析

利用西北地区119站1961-2000年夏季（6-8月）降水资料，统计分析了各站历年夏季降水的平均场、方差场和各年代际平均值分布特征与整体总量逐年平均值的年际和周期变化特点，结果表明：西北地区夏季降水可划分为3个基本气候分区，即北疆区、中西部盆地沙漠区和东部季风影响区。中西部盆地沙漠区降水量和降水量方差均最小，处于稳定的干旱状态；东部季风影响区降水量的方差变化较大，降水的不稳定性增加，干旱频率增大；北疆区降水量较大，变差处于另外两区之间，表明旱涝影响微弱。各区的降水量在不同年代际间也具有不同的特点，降水量的变化会直接影响到当地主要旱地作物的产量。     

江苏沿海开发地区近50年来降水演变特征与趋势

利用1960—2009年10个代表气象站降水资料,采用多方法分析了江苏沿海开发地区的降水特征与趋势。结果表明:年降水量波动频繁,南部较北部略偏多,盐城波动幅最大,南通最小;其年代变化上,南通为持续增加趋势,盐城以1960s降水量最多,其后大幅减少,而连云港则总体偏低,且年代际变幅最大。汛期降水量上,沿海北部较南部偏大,波动幅度与年降水量类似;汛期降水年代变化上,南通总体仍呈增加趋势;而盐城则总体减少,以1970s最低;连云港以1980s为最低值,此前偏高,此后略有增加。2000年以来的旱涝波动更为频繁,并以涝为主。近50a来南通、盐城的年降水呈较弱的减小趋势,连云港则呈增加趋势,而汛期降水量的变化趋势则与年降水量相反。未来趋势上,南通、盐城、连云港的年降水量仍将分别呈现减少、减少、增加的趋势,汛期降水量也仍将分别表现为增加、增加、减少的趋势。     

集合经验模式分解在旋转机械故障诊断中的应用

为了抑制经验模式分解中的模式混淆现象,提高分析精度,引入集合经验模式分解（EEMD）算法。在分析信号上叠加适当的随机高斯白噪声序列,改变信号的局部时间跨度,从而改变一次经验模式分解（EMD）中分析的特征尺度,通过足够多次EMD分解,相当于从多个角度提取信号的本质,最后由所有次分解得出的各本征模态函数（IMF）的均值作为输出,不但消除了人为噪声的影响,还清晰还原了信号的内在过程,准确揭示了其真实物理意义。通过仿真试验和实际的动静碰磨故障案例证实了EEMD算法的有效性,并与基本EMD算法和高频谐波法进行了对比,结果表明,EEMD虽然耗时较多但结果更准确,在旋转机械故障诊断领域应用前景广泛。     

基于EMD的洪涝灾害成灾面积波动的多时间尺度分析

应用经验模态分解（E如）方法分析了1950-2002年全国洪涝灾害成灾面积波动情况。结果表明：（1）洪涝灾害成灾面积存在准3年、准6年、准11年和准50年左右特征时间尺度的周期性波动；（2）各时间尺度的周期性振荡的贡献率中以准3年时间尺度的成灾面积振荡的贡献最大，说明洪涝灾害成灾面积波动以准3年时间尺度为主；（3）从各时间尺度的振荡来看，自70年代中期以来，洪涝灾害成灾面积的波动频率增加，从各时间尺度振荡的趋势看，洪涝灾害成灾面积仍处在增加阶段；而且近年来洪涝灾害成灾面积振荡的幅度增大，说明洪涝灾害强度加剧，频度增加。因此，应充分利用高科技手段对洪水进行实时跟踪、预报，尽可能减少其损失。     

江西省信江流域极端降水时空变化特征

随着全球气候变化加剧,极端降水事件对人类社会造成严重影响。基于江西省信江流域1960—2005年逐日降水数据,利用ClimDex模型与集合经验模态分解法（EEMD）分析信江流域极端降水指数时空分布特征。结果表明:各类极端降水指数呈不同程度上升趋势,其中以极端降水量（R95P）上升趋势最为显著。经EEMD分解得出各项极端降水指数的IMF分量,具体表现出2.56~2.88 a,5.11~6.57 a,9.20~11.50 a和22.59~36.48 a的准周期,其中以IMF1方差贡献率最大,IMF3的振荡周期较为显著。在3种典型年的极端降水事件空间分布上,五日最大降水量（RX5day）和极端降水量（R95P）呈中部略高于周边地区,且极端多水年高于平水年和极端少水年,表明流域中部地区极端多水年的极端降水事件发生频率相对较高。     

基于MED-EEMD的滚动轴承微弱故障特征提取

针对滚动轴承在强噪声环境下故障信号微弱、故障特征难以提取等问题,提出了基于最小熵反褶积(minimum entropy deconvolution,MED)和总体平均经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)两者相结合的方法来提取滚动轴承微弱故障特征。通过对仿真信号和风电齿轮箱的振动信号分析,结果表明:为了弥补在强背景噪声下EEMD对微弱信号特征提取的局限性,该文选取MED作为EEMD的前置滤波器,最后对敏感的本征模态函数进行循环自相关函数解调分析,得出了风电齿轮箱的故障来自于高速轴的微小弯曲和高速轴输出端#10轴承外圈点蚀。同时与EEMD进行对比分析,表明了这种方法对微弱故障特征提取有较好的适用性。该文为多故障共存并处于强背景噪声下的微弱特征提取提供了参考。     

基于Morlet小波的呼伦湖流域降水多时间尺度分析

利用Morlet小波分析方法对呼伦湖流域,海拉尔市、满洲里市、克鲁伦河水文站与乌尔逊河水文站的1961—2014年降水序列进行小波特征分析,根据降水序列多时间尺度分析结果,揭示呼伦湖流域多年降水变化特征。结果表明:（1）研究区年降水量的周期变化特征主要为,海拉尔市年平均降水存在6 a,11 a与27 a的主周期;满洲里市存在10 a,16 a与27 a的主周期;克鲁伦河存在7 a,13 a与28 a的主周期;乌尔逊河存在5 a,13 a,20 a与29 a的主周期。（2）通过对各序列枯水期的计算,预测海拉尔市与满洲里市将于2017年进入枯水期,克鲁伦河与乌尔逊河将于2019年进入枯水期;（3）预测显示呼伦湖流域在2018—2026年,呼伦湖流域降水减少,进入枯水期;在2027—2035年,呼伦湖流域的降水量充沛,进入丰水期。     

基于EMD的洪涝灾害成灾面积波动的多时间尺度分析——以湖南省为例

应用经验模态分解(EMD)方法分析了湖南省1949~2002年洪涝灾害成灾面积波动情况。结果表明:湖南省洪涝灾害成灾面积存在着准3年、准8年和准22年左右特征时间尺度的周期性波动;分析各时间尺度周期性振荡的贡献率,其中以准3年时间尺度成灾面积振荡的贡献最大,即湖南省洪涝灾害成灾面积波动以准3年时间尺度为主;从各时间尺度的振荡看,自20世纪80年代中期以来,洪涝灾害成灾面积的波动频率增加,洪涝灾害成灾面积仍处在增加阶段,同时近年来洪涝灾害成灾面积振荡幅度增大,即某些年份可能会出现大灾,说明湖南省洪涝灾害强度加剧,频度增加。并进一步分析了洪涝灾害加剧的成因,提出相应减灾对策。     

沂河径流非线性变化特征对气候变化的响应

[目的]研究沂河水文和气候因子在不同时间尺度上的非线性变化特征,为进一步了解径流对气候变化的复杂响应过程提供理论依据。[方法]采用集合经验模态分解(EEMD)、Mann-Kendall检验、相关分析和线性回归等分析方法。[结果]1951—2013年沂河径流呈显著下降态势(p0.01),下降速率为3.33×108 m3/10a,但在1976年前后径流则呈相反变化趋势。同时,径流可分解为4个经验模态分量(IMF),其中在年际尺度上(周期为3和6a)的变化对径流总体变化的贡献率较大,为58%,其次是在数年代际(周期为31a)尺度上的变化,贡献率为11%,而在年代际(周期为13a)尺度上的变化对径流总体变化的贡献较小,仅为6%。故径流变化的非线性变化趋势对径流变化的贡献率为25%。[结论]气候因子在不同时间尺度上对径流的作用方式和影响机理具有明显差异,其中在年代际和数年代际尺度上气候因素与径流关系更为密切。     

近60年来南四湖流域降水变化特征分析

为研究气候变化背景下南四湖流域降水的时空分布特性,利用流域8个主要雨量站点1952-2011年日降水资料,基于水文特征时间序列法、Co-Kriging插值、小波分析等方法,分析了近60年来流域降水的时空演变特征。研究表明:（1）流域多年平均降水呈不显著减少趋势,从东向西递减趋势增强;（2）降水量的空间分布具有较明显的季节差异:夏季降水围绕薛城、藤县、鱼城站形成降水的强高值中心,降水高值区影响范围远大于多年平均水平,冬季降水较少,等值线分布比较均匀;（3）受季风环流的强弱和活动范围不同的影响,流域存在明显的降水突变与振荡。降水年际周期变化中,10 a时间尺度下经历了9次强烈振荡周期,是降水的第一主周期;22 a时间尺度为第二主周期,经历4次振荡。根据降水年内分配与主周期振荡趋势特征,可预测流域未来降水变化趋势与空间特征,为预防水旱灾害、合理利用水资源提供依据。     

滇中地区降水特征与变化趋势研究

滇中地区是云南省政治、经济和文化与交通的中心,水资源短缺问题非常突出。以滇中地区1960—2011年13个气象站逐年降水量资料为基础,采用线性趋势、IDW空间插值、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法,对滇中地区50 a来降水变化特征与趋势进行了研究,结果表明:（1）滇中地区多年平均降水量为955.65 mm/a,波动于638.30~1627.60 mm之间,年降水量在空间分布上存在显著的区域差异,降水量大致呈现出由滇中中部向两侧逐渐递增的趋势;（2）50 a来,滇中地区降水量呈现减少趋势,速率为7.67 mm/10 a,且年降水量在2008年前后出现突变;（3）滇中地区降水量存在27 a和16 a左右的周期性变化,其中27 a时间尺度上的周期变化最显著,16 a时间尺度上局部特征突出;（4）滇中地区本来就是水资源匮乏区,降水量的减少趋势应该引起相关部门的重视。     

采用HHT算法与卷积神经网络诊断轴承复合故障

针对农业机械装备中滚动轴承复合故障特征提取与智能诊断问题,该文提出了一种将希尔伯特-黄变换的改进算法(improved hilbert-huang transform,IHHT)与卷积神经网络(convolution neural network,CNN)相结合的诊断方法。首先,通过多种群差分进化改进的集合经验模式分解(multiple population differential evolution-ensemble empirical mode decomposition,MPDE-EEMD)和敏感固有模态函数筛选方法来改进HHT,提取出故障信号时频特征。然后,在AlexNet网络模型基础上遍历所有可能的CNN模型组合,构建出适应于滚动轴承故障诊断的CNN网络模型。再将训练集生成的IHHT时频图输入CNN中进行学习,不断更新网络参数;并将该模型应用于测试集,输出故障识别结果。最后,通过滚动轴承单一故障和复合故障2种试验,将所提出的IHHT+CNN方法分别与传统的BP神经网络、DWT+CNN和STFT+CNN方法进行比较。研究表明,该文的IHHT+CNN方法对单一与复合故障的正确率分别达到100%和99.74%,均高于其他3种方法,实现了不同工况下端到端的轴承复合故障智能诊断,并具有较好的泛化能力和鲁棒性。