气温变化的时间非对称性与不可逆性研究

The warming and cooling in the air temperature anomaly variations are obviously temporally asymmetric, new analysis methods not sensitive to the background trend will be adopted in this project to accurately quantify temporal asymmetry in temperature variations, and to investigate systematically the basic structures and physical mechanisms of this kind temporal asymmetry in temperature variations. The investigations include non only analysis of daily mean temperature variations, also analysis of daily maximum temperature and minimum temperature variations, such as to study the similarities and differences among their temporal asymmetries. The temporal asymmetry in temperature variations deal with the warming and cooling asymmetry in the whole time span, the asymmetry during the different periods, and also asymmetry in the time direction of temperature variations within a certain period (or irreversibility). Through these analyses, we want to derive temporal asymmetry not only on the short-term weather scale, also on the long-term weather or short-term climate scales. The used data are from not only observation and reanalysis records, also from different modeling outputs, through these comparative analyses, the physical mechanisms of temporal asymmetry will be explored for temperature variations on different time scales. Based on these results, a stochastic model will be constructed to simulate the temperature anomaly variations, where the temporal asymmetry will be reproduced. Through this project research, complete understanding will be reached on the temporal asymmetry in temperature variations.

气温在增温与降温等变化上存在明显的时间非对称性。本项目将采用新的不敏感依赖于背景趋势的分析方法准确地量化气温变化在时间上的非对称性，系统研究气温变化这种时间非对称性的组成结构和形成机理。既分析日平均气温的变化，也分析日最高气温和日最低气温的变化，并研究三者变化在时间上非对称性的异同。而研究的非对称性包括升温与降温变化整体的非对称性、不同时间段内升降温变化的非对称性与变化在一定时段内时间方向的非对称性（或不可逆性）。在时间尺度上，既研究短期天气尺度上变化非对称性，也探索中长期天气或短期气候尺度上气温变化的非对称性。在分析资料上，既分析台站观测和再分析序列，也分析不同模式的输出序列。通过对比分析，研究不同时间尺度上变化时间非对称性的形成机制。并利用这些分析结果建立气温异常的随机模型，模拟出气温异常变化在时间上的非对称性。通过本项目的研究，给出气温变化在时间上的非对称性的完整认识。

气温变化具有非常丰富的时间结构，且随尺度变化。在长时间尺度上，气温变化的趋势是其显著的特征。而在短时间尺度上，气温的变化与具体的天气条件或过程有关，气温在增温与降温等变化上存在明显的时间非对称性。和气温变化非对称性研究有关的内容有量化方法的引入与提出、不同气温变量变化的非对称性时空异同、观测结果与再分析与模拟结果的对比分析、造成气温非对称的可能原因等。首先，把水平可视图研究方法引入到气温的非对称研究中，同时，提出了用局部自然趋势量化非对称研究的方法。采用这些新的不敏感依赖于背景趋势的分析方法准确地量化气温变化在时间上的非对称性，系统研究气温变化这种时间非对称性的组成结构和形成机理。对比分析日平均气温、最高气温、最低气温和日较差的非对称性，得到了四者中日平均气温非对称性最强、最高温次之、最低温第三、日较差最弱；具有完全不同的空间分布特征。特别是在再分析资料中，最高气温和最低气温的非对称强度都被严重高估，造成的原因可能是目前的模式对于极端温度的模拟还不是非常好；而平均气温和日较差符合的较好。研究发现，由水平可视图得到的时间序列不可逆与由局部自然趋势得到增温减温非对称具有很好的一一对应关系。它们都是由于增温与降温的极端事件发生次数的非对称造成的，特别是对于平均气温来说，非对称主要是由于极端的降温事件造成的。同时，尝试把锯齿波Weierstrass函数借鉴模拟气温异常，通过调整参数初步得到了与气温异常具有相似非对称性的模拟结果。通过本项目的研究，给出气温变化在时间上非对称的完整认识。同时，需要指出的是：非对称与不可逆仅仅是非线性的充分条件，而不是必要条件。在非线性的指标中，还有非线性相关、多分形等，这些指标与非对称的关系在本项研究中也做了初步探索，未来需要深入研究。由于非线性往往和极端事件密切相关，本项研究结果可为极端事件的模拟、可预报性等研究提供借鉴。