復雜網絡對中國溫度變化的研究.pdf

1、本文為分析溫度資料的動力學特征，依據粗粒化方法，將中國1961-2002年逐日平均溫度序列轉化為由5個特征字符{R，r，e，d，D}構成的溫度符號序列。以符號序列中的125種3-字串組成的溫度波動模態(tài)為網絡的節(jié)點(即連續(xù)4天溫度波動組合)，并按照時間順序連邊，構建有向加權的溫度波動網絡，進而將溫度波動模態(tài)間的相互作用等綜合信息蘊含于網絡的拓撲結構之中。對隨機序列和Lorenz系統(tǒng)的混沌序列分別構建隨機和混沌波動網絡。計算三種網絡的度與度

2、分布、聚類系數、最短路徑長度等動力學統(tǒng)計量，從網絡的角度對比研究三種序列內秉性質的差異。結果表明：溫度波動網絡的重要節(jié)點中大都包含了R、r和e三種符號，這可能對應了全球增暖的背景下，溫度的波動主要以上升為主的特征。就整體而言，溫度波動網絡的動力學拓撲性質與混沌網絡相似，與隨機網絡差異顯著，體現(xiàn)了溫度變化的復雜性。此外，溫度波動網絡部分節(jié)點的中介中心性能力較強，4％的節(jié)點承擔了網絡12.93％的中介中心性功能，這些具有拓撲統(tǒng)計重要性的節(jié)點

3、對于理解溫度波動的內在規(guī)律和波動信息的傳遞等有一定指導意義。Lorenz系統(tǒng)對應的混沌波動網絡的中介中心性與溫度網絡類似，而隨機波動網絡中節(jié)點的中介中心性幾乎是均等的。因此，有別于傳統(tǒng)的Lyapunov指數、分維數等方法，從網絡結構拓撲性質這一新的角度驗證了溫度變化具有類混沌屬性，而不是隨機波動過程。
　　 在此基礎上對溫度波動網絡進行了更為細致的研究，利用中國地區(qū)435個臺站1961-2002年逐日平均溫度序列，分別構建溫度波

4、動網絡，并計算網絡拓撲統(tǒng)計性質，給出全國的空間分布圖像。由單個節(jié)點度的差異性，節(jié)點RRD，RDD，DRR，DDR，DdR的度數比較顯著，以這些節(jié)點為代表的溫度變化模態(tài)發(fā)生概率較大，對溫度變化的趨勢預測有一定的指導意義；給出這5種節(jié)點的度數在全國435個臺站中的排行分布，將它們的主要作用區(qū)域依次定義為：全國型、次全國型、東部型、西南混合型及混合型。各臺站的節(jié)點度分配與全國平均節(jié)點度分配的相似系數分布圖存在一定的區(qū)域特征，為通過復雜性來研究

5、溫度變化的區(qū)域特征提供了理論上的基礎。依據平均集群系數和平均最短道路長的全國分布的相似性和區(qū)域性，將中國地區(qū)的溫度變化分為三個區(qū)域：強復雜區(qū)域、中度復雜區(qū)域、弱復雜區(qū)域。
　　 為了將溫度變化發(fā)生在時間和空間上的性質進行有效的結合，本文基于復雜網絡的二分圖原理構建溫度網絡，利用中國地區(qū)435個臺站1961-2002年逐日平均溫度序列，將溫度變化發(fā)生在9天時間尺度上的特征編碼在網絡中，通過研究二分圖溫度網絡(BGT網絡)中節(jié)點與項

6、目的關系，揭示出9天時間尺度上溫度變化的特征及其在空間上的拓撲統(tǒng)計性質。網絡中各節(jié)點RRRD，RrDD，eeed，DRRD，DDRR等所代表的溫度波動模態(tài)在網絡中異常頻發(fā)，對9天尺度溫度變化的預測有一定的指導意義。統(tǒng)計網絡的節(jié)點度分布，集群系數等拓撲結構特征量，發(fā)現(xiàn)BGT網絡服從正態(tài)分布特征。BGT網絡項目內節(jié)點度的多樣性大體上表現(xiàn)為江南和華南地區(qū)偏少，華東和華中地區(qū)偏多，華北地區(qū)偏少，東北部分地區(qū)偏多的四極型分布特征；且這種區(qū)域特征與