氣候統(tǒng)計(jì)-第一章課件

1、華麗娟第一章 緒論中國(guó)科學(xué)院研究生院 地球科學(xué)學(xué)院2008年2月25日緒論氣候統(tǒng)計(jì)方法和應(yīng)用主要參考書(shū)：Wilks D. S., Statistical methods in the atmospheric sciences: an introduction, Academic Press, San Diego, 1995魏鳳英，現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，氣象出版社，北京，2007黃嘉佑，氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法，氣象出版社，北京，2000參考書(shū)目基本要求第一部分其它參考書(shū)：Von Storch H., Zwiers F. W., Statistical analysis in climate

2、 research, Cambridge University Press, 1999吳洪寶，吳蕾，氣候變率診斷和預(yù)測(cè)方法，氣象出版社，北京，2005么枕生，丁裕國(guó)，氣候統(tǒng)計(jì)，氣象出版社，北京，1990參考書(shū)目基本要求第一部分平時(shí)作業(yè)+期中考核+期末筆試平時(shí)作業(yè)，共四次，占總成績(jī)40%；期中考核；期末閉卷筆試，占總成績(jī)60%；安排大家對(duì)該課程中的某些內(nèi)容進(jìn)行試講，作為機(jī)動(dòng)成績(jī)。作業(yè)的形式主要以應(yīng)用和實(shí)踐形式為主，以利于大家更好的理解和掌握氣候統(tǒng)計(jì)方法。考核方式基本要求第一部分本課程并不需要同學(xué)具有非常強(qiáng)的數(shù)理以及大氣科學(xué)背景知識(shí)；具有較強(qiáng)的大氣科學(xué)背景的同學(xué)將更有利于接受本課程的內(nèi)容；具有一定

3、的fortran或者其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程能力的同學(xué)有助于更好的應(yīng)用本課程的相關(guān)知識(shí)。必備知識(shí)基本要求第一部分本課程要求會(huì)利用計(jì)算機(jī)程序處理氣候或者地球科學(xué)中的相關(guān)問(wèn)題；但本課程不會(huì)占用課堂時(shí)間進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐，因此要求大家利用課后時(shí)間進(jìn)行上機(jī)實(shí)習(xí)。課后要求基本要求第一部分盡我所能講授好這門課程；課程內(nèi)容以及難度盡可能兼顧班上不同專業(yè)和方向同學(xué)的接受能力；本課程是本人與大家共同學(xué)習(xí)的過(guò)程，本人無(wú)法回答或者解釋的問(wèn)題我將咨詢相關(guān)的專家和學(xué)者，盡可能給出大家科學(xué)、準(zhǔn)確的回答；大家對(duì)教學(xué)有任何意見(jiàn)和建議，均可直接或通過(guò)email等方式告訴我。對(duì)“我”的要求基本要求第一部分第四章 回歸分析 一元線形回歸；多元

4、線形回歸；逐步回歸；回歸分析在氣象中的應(yīng)用。第五章 氣候變化趨勢(shì)分析 線形傾向估計(jì)；滑動(dòng)平均；累計(jì)距平；五、七和九點(diǎn)二次平滑；五點(diǎn)三次平滑等，變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)。應(yīng)用知識(shí)大綱安排第二部分第六章 氣候突變檢測(cè) 滑動(dòng)t檢驗(yàn)，Mann-Kendall檢驗(yàn)；Pettitt方法，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)歸一檢驗(yàn)（SNHT），Buishand range 檢驗(yàn)等。第七章 氣候變量場(chǎng)時(shí)空結(jié)構(gòu)的分離 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解。第八章 氣候序列中振蕩信號(hào)的時(shí)空特征的提取 功率譜，最大熵譜，小波分析，多通道奇異譜分析，MTM-SVD方法。 應(yīng)用知識(shí)大綱安排第二部分什么是統(tǒng)計(jì)學(xué)氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分收集和分析數(shù)據(jù)以得

5、到結(jié)論并作出決策的科學(xué)；統(tǒng)計(jì)不能完全代替判斷；統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)注的問(wèn)題是“不確定”的，而統(tǒng)計(jì)方法可以估計(jì)或者量化這些不確定的問(wèn)題，并作出相應(yīng)的參考或預(yù)測(cè)；大氣運(yùn)動(dòng)本身存在很多不確定性，假如這些不確定性因素均不存在，則不存在不準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，也不用我們學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)。氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)的2個(gè)分支氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分為了更便于了解氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)，將其分為2支，即描述性統(tǒng)計(jì)方法（descriptive statistics）和推論性統(tǒng)計(jì)方法（inferential statistics）。描述性統(tǒng)計(jì)方法氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分描述性統(tǒng)計(jì)方法意即對(duì)數(shù)據(jù)的組織以及概括；大氣科學(xué)中既包括觀測(cè)資料（地面、高空、雷達(dá)、衛(wèi)星資料等等

6、），還包括模式模擬結(jié)果以及再分析資料等；如何從大量的數(shù)據(jù)中有效的提取基本信息？描述性統(tǒng)計(jì)方法并不是簡(jiǎn)單的數(shù)字游戲，而是如何從中提取我們興趣的自然現(xiàn)象的信息。氣候?qū)W氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分氣候?qū)W最初是地理學(xué)的一個(gè)分支，該學(xué)科建立初期，主要以描述性的方法為主；氣候?qū)W需要描述的內(nèi)容簡(jiǎn)而言之就是“平均態(tài)”和“異常態(tài)”；而在計(jì)算機(jī)快速發(fā)展前，即數(shù)值方法沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用前，統(tǒng)計(jì)方法是最主要的研究工具。氣候統(tǒng)計(jì)方法有存在的必要嗎？氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分?jǐn)?shù)值模式的快速發(fā)展和日臻成熟：業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的廣泛應(yīng)用；科學(xué)研究中的大量應(yīng)用；氣候統(tǒng)計(jì)方法還有生命力嗎？大氣運(yùn)動(dòng)的不確定性氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分如果大氣過(guò)程是定常的、周期

7、性的，那么我們可以很容易以數(shù)學(xué)形式來(lái)描述這些過(guò)程，天氣預(yù)報(bào)也會(huì)變得更加的容易，氣象學(xué)就失去了魅力；當(dāng)然，大氣的變化在很大程度上是不確定的，無(wú)規(guī)律的，這促使我們大量的收集和分析各種氣象要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)尋找它的變化規(guī)律。氣候是一種受到多種因素影響的動(dòng)力系統(tǒng)，如果我們能精確知道影響氣候變化的動(dòng)力過(guò)程，我們將不需要統(tǒng)計(jì)，但我們不能；大氣運(yùn)動(dòng)的不確定性氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分Lorenz系統(tǒng)相空間軌跡（Lorenz, 1963）In his famous 1963 paper Lorenz picturesquely explains that a butterfly flapping its wings in

8、Beijing could affect the weather thousands of miles away some days later. This sensitivity is now called the butterfly effect. E. N. Lorenz(1917-2008)數(shù)值模式能否克服大氣過(guò)程中的不確定？氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分回答是否定，原因是：即便模式本身足夠好，使大氣運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)演變?yōu)榧兇獾某踔祮?wèn)題，我們?nèi)匀粺o(wú)法得到完全精確的初始場(chǎng)；大氣模式是對(duì)真實(shí)大氣過(guò)程的相當(dāng)程度的逼近，并不能完全代表控制大氣活動(dòng)的整個(gè)物理過(guò)程；尤其是對(duì)于小尺度擾動(dòng)，大氣模式無(wú)法給出這些小擾動(dòng)

9、代表的物理過(guò)程。數(shù)值模式能否克服大氣過(guò)程中的不確定？氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分即便是數(shù)值模式能完全體現(xiàn)大氣活動(dòng)涉及的相關(guān)物理過(guò)程，由于存在動(dòng)力擾動(dòng)（混沌）（Lorenz，1963），我們?nèi)匀粺o(wú)法控制模式結(jié)果的正確性；在目前的數(shù)值模式計(jì)算，即便是一個(gè)微小的改動(dòng)（或者說(shuō)在兩組初始條件非常接近情況下的數(shù)值計(jì)算），都有可能造成計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際情況（兩組結(jié)果可能有顯著的差異）。數(shù)值模式能否克服大氣過(guò)程中的不確定？氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分“Just as relativity eliminated the Newtonian illusion of absolute space and time, and as

10、 quantum theory eliminated the Newtonian and Einsteinian dream of a controllable measurement process, chaos eliminates the Laplacian fantasy of long-term deterministic predictability”。 Zeng and Eykhold, 1993隨機(jī)性氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分需要強(qiáng)調(diào)的是隨機(jī)性（randomness）的含義不是“不可預(yù)測(cè)（unpredictability）”，而是“不可精確預(yù)測(cè)（not precisely predi

11、ctable）”；例如對(duì)于明天降水量的預(yù)測(cè)，通過(guò)歷史上的降水量的紀(jì)錄，利用簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析我們可以對(duì)明天降水量做一個(gè)預(yù)測(cè)，這比我們憑空想象得到的結(jié)果更為精確；然而我們的工作不能僅到此為止，降低隨機(jī)氣象事件預(yù)測(cè)的不確定性是我們的最終目的。氣候平均態(tài)氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分氣候平均態(tài)并不是典型態(tài)；長(zhǎng)期平均態(tài)平滑掉了許多不規(guī)則的、劇烈的變化，因此掩蓋了許多年際變化；在實(shí)際觀測(cè)中，通常是很難觀測(cè)到與氣候平均態(tài)非常近似的分布形勢(shì)；在選用氣候平均時(shí)段時(shí)，盡量滿足代表性、說(shuō)明性、可靠性原則；氣候平均態(tài)氣候統(tǒng)計(jì)描述第三部分氣候平均態(tài)是一種估計(jì)態(tài)，也就是近似值或者是基于樣本數(shù)據(jù)的猜想值，精確的值我們不可能知道，因此，

12、對(duì)于氣候態(tài)的描述不存在“對(duì)”與“錯(cuò)”的問(wèn)題，而是與真實(shí)值的接近程度如何；例如：對(duì)某觀測(cè)臺(tái)站一月的氣壓的估計(jì)，數(shù)據(jù)量為104個(gè)觀測(cè)值；第一組，時(shí)間間隔為1分鐘；第二組，時(shí)間間隔為1周；含義氣候統(tǒng)計(jì)的含義及研究的內(nèi)容第四部分氣候統(tǒng)計(jì)是根據(jù)氣候觀測(cè)資料對(duì)氣候變化與氣候異常的程度及成因做出判斷；從概率論或統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，某個(gè)氣象要素及其變化可看成為一個(gè)變量或隨機(jī)變量，它的全體在概率論中稱為總體，而我們收集到的該要素的資料稱為樣本；我們學(xué)習(xí)的目的就是如何用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)樣本進(jìn)行分析來(lái)估計(jì)和推測(cè)總體的規(guī)律性。研究?jī)?nèi)容氣候統(tǒng)計(jì)的含義及研究的內(nèi)容第四部分應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法了解區(qū)域性或全球性氣候變化的時(shí)空分布特征、

13、變化規(guī)律及氣候異常的程度。主要針對(duì)月以上至幾十年時(shí)間尺度的變化，即主要研究月、季、年及年代4個(gè)時(shí)間尺度的氣候變化。通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法探索氣候變量之間及其與其它物理因素之間的聯(lián)系，研究造成氣候異常的原因，進(jìn)而探索氣候異常形成的物理機(jī)制；對(duì)氣候數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際變化狀況之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。氣候統(tǒng)計(jì)分析的一般步驟氣候統(tǒng)計(jì)分析的一般步驟第五部分一、 收集資料：資料（數(shù)據(jù)）是氣候統(tǒng)計(jì)分析的根本；資料的選取應(yīng)遵循精確性、均一性、代表性和比較性的原則；資料的樣本長(zhǎng)度和區(qū)域范圍應(yīng)以所研究問(wèn)題的對(duì)象為主；氣候統(tǒng)計(jì)分析的一般步驟氣候統(tǒng)計(jì)分析的一般步驟第五部分二、 資料預(yù)處理：確定資料是否是可靠的，精確的，是否存在人為因素造成的不均一性，如臺(tái)站資料由于遷站造成遷站前后資料的不連續(xù)性。如存在上述問(wèn)題應(yīng)首先對(duì)資料進(jìn)行均一化處理；確定資料在時(shí)間上是否是連續(xù)的，如不連續(xù)則應(yīng)在時(shí)間上采用插值等方法處理；對(duì)于非觀測(cè)資料的使用，如再分析資料或模式模擬資料在使用前應(yīng)與觀測(cè)資料作對(duì)比分析；保證資料的質(zhì)量是進(jìn)行下一步分析最重要的一步。氣候統(tǒng)計(jì)分析的一般步驟氣候統(tǒng)計(jì)分析的一般步驟第五部分三、 根據(jù)所研究問(wèn)題選擇恰當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)方法：不恰當(dāng)?shù)姆椒ê茈y達(dá)到預(yù)期的研究效果；例如，采用旋轉(zhuǎn)EOF分析方法，按照分離出旋轉(zhuǎn)典型空間模態(tài)的高荷載區(qū)可以進(jìn)行客觀的區(qū)域劃分，這是比較