Presentations

Morphological analysis of the time series of carbon dioxide concentration

Tarbaev D.A., Gazaryan V.A.¹, Aleshnovsky V.S., Bezrukova A., Shapkina N.E., Kurbatova Yu.A.², Chulichkov A.I.³

Faculty of Physics, M.V.Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory, Moscow 119991, Russia

¹Department of Data Analysis, Decision-Making and Financial Technologies, Financial University under the Government of the Russian Federation, Moscow, 125993 Russia

²Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119071 Russia

³VINITI RAS, st. Usievich, 20, Moscow, 125315

Углекислый газ является основным углеродосодержащим парниковым газом в атмосфере и одним из её главных загрязнителей, поэтому построение математических моделей изменчивости его концентрации в атмосфере является актуальным. В настоящей работе для выделения суточных колебаний концентрации CO₂ используется метод морфологического анализа [1].

Временной ряд суточных колебаний концентрации углекислого газа является квазипериодической последовательностью, состоящей в чередовании монотонно возрастающих и убывающих фрагментов с меняющимися периодами чередования, амплитудами и формами монотонных участков. Для выявления суточных колебаний вводится математическое понятие формы сигнала на квазипериоде как множества сигналов с фиксированным положением максимума, минимума и точек перегиба. Положения этих точек являются параметрами формы, их значения определяются минимизацией евклидова расстояния от исходного фрагмента временного ряда до заданной формы сигнала, реализованной с помощью алгоритма, приведенного в работе [1].

С помощью предложенного метода временной ряд длительностью 21 день с шагом 0.5 часа был разделен на фрагменты заданной формы и среднее значение периода составило 23.975 часа. Вычитание выделенной таким образом суточной составляющей позволило обнаружить регулярность более высокочастотной составляющей в динамике концентрации CO₂. В результате сравнения с другими методами декомпозиции показано, что применение морфологического метода для выделения квазипериодических составляющих временного ряда имеет высокую эффективность.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ №19-29-09044, №18-07-00424А, РФФИ-РГО-а №17-05-41127

Литература.

1.Демин Д.С., Чуличков А.И. Фильтрация монотонных выпуклых сигналов, искажённых шумом, и оценка положения особых точек. - Фундаментальная и прикладная математика, 2009, том 15, № 6, с. 15-31.

• abstract in Russian (PDF)