神经网络在古气候变化中的初步应用——以黄土高原地区与北大西洋、低纬地区的气候遥相关为例

来源 :中国科学院地球环境研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haru
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中国地处全球大气环流若干重要分支的相互作用区,气候主要东亚季风、印度洋季风、和西风带及其相互作用的控制,同时厄尔尼诺/南方涛动的影响。西风带作为北大西洋气候区和东亚季风区的纽带,对东亚季风有重要影响。   早期气候代用指标对比研究多是肉眼识别的办法,如黄土磁化率和深海氧同位素记录的对比研究。地理分析由定性描述向定量分析转化是现代地理学发展的必然趋势,为了定量研究地理要素之间的相互联系,常用的方法有相关分析法和多元回归分析法,目前神经网络也广泛应用到地学领域。近年来,国际全球变化研究核心交叉计划-全球变化与气候可预报性计划的推动下,用古气候记录,特别是定量化的历史气候记录来分析气候变化周期性与突变特征的工作得到了国际学术界的高度重视。   鉴于西风带和低纬度地区热机对我国气候的综合影响研究较少,其中厄尔尼诺/南方涛动是低纬度地区最强的信号,所以,我们做了如下分析:   从相关性分析看,格陵兰冰芯、深海氧同位素、秘鲁氧同位素与中国气候代用指标的相关性较大,说明我国气候受西风和厄尔尼诺/南方涛动的影响较大,但不同地区的相关性不同,说明不同区域受影响程度不同,通过相位差分析表明,有的区域和它们的变化是同步的,有的区域则是不同步的。   从周期分析看,北大西洋V019030与西峰磁化率、渭南磁化率、段家坡钙结核C-13、洛川磁化率、洛川粒度的周期基本一致,特别是和洛川磁化率、洛川粒度的周期大小一样;格陵兰冰芯与古里雅、中国气温、敦德、西峰、渭南、镇安、黄陵、神农架、太白、北塬头、段家坡、洛川的周期也基本一致,秘鲁氧同位素与黄陵、太白的周期基本一致,新西兰与镇安、黄陵、太白、的周期也基本一致,秘鲁氧同位素与镇安、黄陵、太白周期也基本一致,厄尔尼诺3区与镇安、黄陵、太白的周期也基本一致,说明我国气候受西风和厄尔尼诺/南方涛动的影响较大,但是,不同区域所受影响程度不同。   从多元回归分析看,我们建立的我国气候代用指标与格陵兰冰芯氧同位素、秘鲁氧同位素的回归模型,其拟合值与真实值趋势基本一致,但是,误差较大,特别是对西峰磁化率的拟合,预测精度很低。   从神经网络分析看,我们建立的我国气候代用指标与格陵兰冰芯氧同位素、秘鲁氧同位素的神经模型,其模拟值与真实值趋势一致,误差较小,为气候预测的估算提供了新的思路,是对气候系统模式的有益补充。   通过多元回归模型和神经网络模型两种预测方法预测精度的比较可以看出,神经网络在样本数量比较少时在预测方面有其独特的优点。当获取大量的样本数量比较困难时,这.点更是显得重要。然而与多元回归相比,尽管神经网络一般能产生较好的预测精度,但它无法确定输入变量的相对贡献率,利用多元回归可以描述各个自变量的相对重要性。
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