关键词:
希尔伯特黄
CEEMD
湍流
森林下垫面
镜像延拓
摘要:
为解决传统经验模态分解算法(Empirical Mode Decomposition,EMD)中存在的模态混叠现象,引入了互补集合经验模态分解算法(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)和镜像延拓算法对EMD算法分解中存在的缺陷进行改进。本文选取四峨山人工森林区的湍流观测的个例数据,首先对比分析了两种方法的差异,明确CEEMD算法的优势;随后选取了不同高度下稳定层结和不稳定层结的个例数据,应用希尔伯特-黄变换算法对该个例下的风速u和温度T序列的湍流特征进行了分析,探讨了希尔伯特黄变换算法的应用。结果表明:CEEMD的算法分解结果更加精细,模态函数的模态混叠缺陷得到了更好的压制,模态能量分布更集中,希尔伯特边际谱存在更多的能量尖峰,能量分布更加清晰。不同的模态函数存在有各自的特征频率,分解所得的模态函数中包含着不同尺度的运动,其中包含有满足-2/3斜率的惯性副区的湍流运动,以及对应着含能区的低频大尺度模态,且CEEMD分解得到的边际谱能量尖峰很好的反映了各模态函数的含能特征。个例分析表明:CEEMD算法可以作为一个典型的二分滤波器,经CEEMD分解后,该个例湍流信号中u风的各模态函数中存在有3~6 min的阵风波动,不同高度、不同稳定层结下湍流特征表现有所差异,正午不稳定层结下相比夜间稳定层结下希尔伯特边际谱幅值更高,三维风速在各个高度混合更好,且较低高度由于冠层的作用,存在对大尺度湍涡的破碎作用,边际谱相比其他高度表现出低频小而高频大的特征,而温度T在该个例下与三维风速表现有所不同:稳定层层结下不同高度湍涡混合更好,而不稳定层结下由于不同高度热力吸收的差异,较低高度边际谱幅值较高,并随着高度的升高而减小。