RClimDe中文用戶手冊

RClimDex(1.0)極端氣候指數計算軟件用戶手冊張學斌FengYang加拿大環(huán)境部氣候爭論中心2004910日南京信息工程大學遙感學院2013．82作者致謝XuebinZhang〔張學斌〕andFengYang〔加拿大氣象局氣候爭論C5》資助。LisaAlexander,FrancisZwiers,ByronGleason,DavidStephenson,AlbertKlanTank,MarkNew,LucieVincentTomPetersonR包的開發(fā)與測試作出了重CCl/CLIVARETCCDMIRClimDex的改進供給了貴重的意見。.譯者的話“://pcic.uvic.ca/tools-and-data/climdex“://pcic.uvic.ca/tools-and-data/climdex“:///software.shtml“:///software.shtmlRClimdex可計算極端氣候指數27項，以下摘錄來自一碩士論文《內蒙古地區(qū)NDVI的相關性》〔使用RClimdex軟件〕的15項指數名稱翻譯及一段簡要說明。１.指數名稱、解釋、單位FD006日>5℃或<5<10%>90%<10%>90%分位值的日數天90%CSDI冷持6日最低溫在10%RX5day5mmCDD<1mmmmmmR10=10mm95%mm２.簡要說明在應用RClimDex處理數據之前，必需確保每個站點的數據以文本格式儲存，并且儲存的氣象數據必需依據年、月、日、24小時日降水量、日最高氣溫、日最度很大，難免有些記錄值缺測，因此程序要求全部的缺測值都統(tǒng)一設為-99.9。啟動R編輯器，讀入RClimDex程序，在桌面窗口的引導下讀入某站點氣象數據的文本文件，程序將對文件數據進展檢驗處理，用于提高所用數據的質量。檢驗處理主要涉及幾個方面的錯誤記錄檢查：〔1〕日最低溫>日最高溫〔2〕日降水量<0mm(3)記錄值嚴峻偏離本地區(qū)氣象實際狀況，即超出3倍標準差的值定義為出界值，通過人工檢查同相鄰站點的記錄進展比對，合理的保存，不合理的按缺測進展處理。進展完質量掌握處理后就可以對數據進展計算處理，得出一系列的excel格式的文件結果。名目簡介R語言安裝HowtoinstallRHowtorunRRClimDex？RClimDex的加載與使用數據質量掌握指數計算bugsBug報告AppendixA:氣候指數列表AppendixB:輸入數據格式AppendixC:指數定義AppendixD:Thresholdandin-baseperiodtemperatureindicescalculationAppendixE:RforWindowsFAQ介紹加拿大氣象爭論中心的XuebinZhang〔張學斌，華人〕與FengYang開發(fā)的RClimDex〔1.0〕是對ClimDex軟件〔由加拿大國家氣候數據中心的ByronGleasonR編輯器開發(fā)的用于計算多種極端氣候指數。ClimDex是以Excel為根底的程序，意在供給簡潔使用的軟件包用于計算監(jiān)測氣候變化的氣候極值。它由加拿大國家氣候數據中心ByronGleason開發(fā)，已經用于CCl/CLIVARworkshopsonclimateindicesfrom2001.使用者可以在窗口界面的提示和引導下將爭論區(qū)域的氣象記錄值文件進展處理excel文件的形式輸出。ClimDex工程軟件開發(fā)之初就強調運行環(huán)境不依靠于特定的操作系統(tǒng)。因此使RR語言是強健的、強大的統(tǒng)計分析與繪圖軟件。它WindowsUnix系統(tǒng)。2003ClimDex及其他程序中，計算百分位根底的溫度指數在指數序列組中消滅了不全都性，修正工EXCELClimDex的R語言包顯得更加迫切。RClimDex(1.0)有著比較友好的操作界面，計算由CCl/CLIVAR推舉及可由用戶定義門檻值的重要極端氣候指數27種，包括16個極端溫度指數和11個極端降水指數，這27個極端氣候指數都是世界氣象組織氣候委員會推舉使用的核心極端氣候指數，已包括了ClimDex(Version1.3)中的幾乎全部指數。RClimDex(1.0)在R1.84下進展開發(fā)，它應當可以運行于R1.84及其后的版本。開發(fā)極端氣候指數軟件的目的之一是用于氣候監(jiān)測爭論，這要求各項指數必需均一化〔全都化〕RClimDex版ClimDex打算〔譯者注：ClimDex是一個特地的打算，有特地的網站。當前分別有EXCEL版本、R語言版本、FORTRANClimDex軟件〕ClimDex的用戶，我們期望，在計算極端指數前已進展數據質量掌握。本用戶手冊供給逐步操作的說明。R語言的安裝與運行〔譯者注：很便利，幾乎不需要設置，一路點擊即可〕Risalanguageandenvironmentforstatisticalcomputingandgraphics.ItisaGNUimplementationoftheSlanguage developedbyJohnChambersandcolleaguesatBellLaboratories(formerlyAT&T,nowLucentTechnologies).S-plusprovidesacommercialimplementationoftheSlanguage.HowtoinstallRTclTk。R的安裝過程格外簡潔：1)登錄網“:///“2)FollowthelinkstodownloadthemostrecentversionofRforyourcomputeroperatingsystemfromanymirrorsiteofCRAN.對于MicrosoftWindows(95,98,2000,andXP)系統(tǒng)，下載Windows版安裝程R將消滅在你的機器中，并且在你的桌面增加快捷圖標。TclTkR1.9.0及以后版本中。Linux系統(tǒng),downloadproperprecompiledbinariesandfollowtheinstructiontoinstallR.Forotherunixsystems,youmanyneedtodownloadsourcecodeandcompileityourself.HowtorunRR快捷圖標，或者在“開頭”菜單中點擊,R用戶界面將會消滅。第一次使用時你可能需要配置稱做“HOME”的環(huán)境變量。詳E中用戶常問的問題〔FAQ〕。unixR程序界面運行。欲在R界面退出，輸入q在Windows系統(tǒng)下，還可以選擇“File”菜單然“Exit”選項。如何使用RClimDexRClimDex的加載R窗口中操作，RClimDex可以通過下拉菜單加載RRGui菜單下選“File”，再選“SourceRcode。這將彈出一個窗口，你應指向你保存RClimDex的位置。在“>”〔R〕source“rclimdex如文件不在缺省名目什么名目？〕中，在rclimdex.r名稱之前，source(“f:/rclimdex/rclimdex.r“〔留意：全路徑名之間的間隔符為unix下承受的/”而不是windows操作系統(tǒng)命令行〔DOS操作系統(tǒng)〕\”。這RClimDex。一旦源程序加載成功，RClimDex主菜單就會消滅：譯者注：英文原文中，3.1中1、2方法消滅次序相反。為便利用戶使用作了調換。加載數據，運行質量掌握模塊〔QC〕RClimDex質量掌握模塊執(zhí)行如下功能:1)用R語言認可的數據格式代替缺失值(假設原數據以-99.9表示)NA”表示“不行得”；2)用“NA”代替全部的不合理值。這些值包小于日最小氣溫的日最大氣溫。此外，質量掌握模塊還能識別日最大氣溫與日最大氣溫的離群值〔不正常值〕。這些離群值是由用戶定義的區(qū)域之外的日特征值。當前，這個區(qū)域被定義為均值±日特征值的n倍標準–n*std,mean+n*std]。stdmean〔均值〕7“LoadDataandRunQC”，翻開的窗口形式如下。用戶能夠選取用于計算極端指數的氣候數據文件。文件名的格式應當有如“stationname.txt”。文件中數值格式應當符合附錄B的要求。在這個實例中，我們使用一個名為“21946.txt”ASCII格式的站點數據。數據加載成功之后，一個彈出窗口消滅。有誤。請比較你的數據格式與手冊供給的樣例數據格式。不合理的值將被自動識別，但離群值需要用戶進展確認。()，但這個數值用戶可以改寫。由于3可能標志〔flag〕著一個很大的數值，用戶可能期望設定為4。當8參數設定是為了以后使用(翻譯待復核!)，不需要填寫“Stationnameorcode”，點擊“OK連續(xù)。譯者注：此處n表示原始氣象數據序列的標準差。如某地實際降水等變化超出此缺省值，可以適當放大，如將“３”改成“5”以避開誤將真實值當成離群值。假設覺察不合理值，將會消滅彈出窗口。例如，日最小氣溫大于日最大氣溫。假設在日降水量中消滅負值(除了以-99.9表示缺測的狀況)，將會消滅以下窗口：9假設有離群值消滅，將消滅以下窗口。譯者注：離群值的查找很便利。假設消滅離群值，依據系統(tǒng)提示的名目中生成的文件21946tepstdQC.csv對原始數據中的不合理值進展查找與修改即可。數據掌握模塊完成，將會彈出一個窗口。同時，4個Excel文件：“21946tempQC.csv”,“21946prcpQC.csv”,“21946tepstdQC.csv”,and“21946indcal.csv”將建立在一個名為log的子名目中。開頭的2個文件包含著氣溫與降水中存在的不合理值〔比“離群值”還不合理〕信息，第3個文件標記全部可能的氣溫離群值及其消滅日期。最終一個文件包含著數據掌握模塊的信息，并將用于指數的計算。留意：在最終的一個文件中，僅用NA4PDF(缺失值被標為紅點)log名目之中。.因此，用戶可能需要檢查文件“21946tepstdQC.csv”中的數據，是否標記為離“21946indcal.csv”WindowsExcel軟件或Unix系統(tǒng)下的編輯器進展修改。這一步操作完成之后，用戶點擊OK，進入后續(xù)的指數計算。留意：指數承受數據質量掌握后的數據進展計算。原始的輸入文件并未轉變。譯者注：21946tepstdQC.csv中保存著軟件認為可能不合理的值，用戶可以查看或修改。不合理值包括：降水量為負值、最低氣溫大于最高氣溫。系統(tǒng)自動生成一個校核過的數據文件進展后續(xù)處理，并不直接使用原始數據文件〕因此，用戶想要修改原始數據文件以改正錯誤值的話，應當重加載數據，數據質量掌握模塊也需要再次運行。指數計算RClimDexA27種核心氣候指數，用戶可以依據需要選擇指數進展計算。10在主菜單中選擇值“計算指數〔IndicesCalculation〕”之后，用戶被要求設置某些參數?！霸O置參數值〔SetParameterValues〕”窗口允許用戶輸入用于門檻值11年、站點緯度(南半球為負值)、用戶定義的日降水門(Rnn指示器)、〔UserdefinedUpperLimitofDayHigh〕”用于計算日最高氣溫高于門檻值時的持續(xù)日數?！坝脩舳x的日最高限值〔UserdefinedLowerLimitofDayHigh〕”用于計算日最高氣溫低于該值時的持續(xù)日數。“用戶定義的日低值上限〔UserdefinedUpperLimitofDayLow〕”LimitofDayLow〕”數。這些指數分別被稱作SUmm、FDmm、TRmm、IDmm“mm”對應于用戶定義的值。譯者注：基期的第12個值的年份，而不是第１個值的年份，緣由見《4.的過失》。承受默認設置不作改動可以運行，但具體影響本人尚未深入分析。對于降水指數的計算可能無直接影響，但影響溫度指數的計算。《4.的過失》供給的一個補救方法是在觀測數據前面增加一個值〔但標為-99.9〕詳見《4.的過失》?！坝脩舳x的日降水門檻值P(用毫米mm表示),當日降水超過這個門檻值時計算持續(xù)日數(Rnn指示器)”的修改可能影響連續(xù)潮濕指數的計算〔CWD〕。為計算全部指數。退選不需計算的指數工程后，點擊“OK”進展計算。依據選擇計算的指數多少，這一步的計算時間各有長短。譯者注：在調試過程中，為節(jié)約運算時間可退選暫不需要計算的工程。如僅需 CDD，保存CDD選項即可。11需要計算的指數運算完成之后，消滅一個彈出窗口。“21946_XXX.cvs”XXX表示指數的名稱。數據的各列用逗號(“,”)分〔最小線性二乘法solidline，locallyweightedlinearregression(dashedline)〕的圖形，線性回歸的趨勢擬合也進展了繪JPEG的子名目中，圖形文件名命名方法與前述類似，“cvs”“jpg”。譯者注：提示窗口僅標出了plots名目，其他結果文件也在相應名目之中。選擇“計算指數〔IndicesCalculation〕”可以為同樣的站點計算其它的指數。對于其他站點，選擇“數據質量掌握模塊〔DataQC〕”、重復上述的同樣過程?！癊xit”即可。的過失1年與基期的第11216比指數計算中需要一個基期以外的數據。避開這個過失的一個方法是在觀測序列的1961-1990196111日開頭，可以在數據文件中增加11天的數據〔視作缺測，標為-99.9〕：“19601231-99.9-99.9-99.9”過失報告Pleasereportanybugs/errorsto.ca witherrormessagesanddatabeingusedforthecalculationoftheindices.Thiswillbehelpfulinproducingabetterreleaseinthenearfuture.Wewouldalsoappreciateyoursuggestionsforfurtherimprovement.APPENDIXA:ListofETCCDMIcoreClimateIndicesIDFD0SU25ID0TR20

IndicatornameFrostdaysSummerdaysIcedaysnightsGrowingseason

DefinitionsAnnualcountwhenTN(dailyminimum)<0oCAnnualcountwhenTX(dailymaximum)>25oCAnnualcountwhenTX(dailymaximum)<0oCAnnualcountwhenTN(dailyminimum)>20oCAnnual(1stJanto31stDecinNH,1stJulyto30thJunein

UNITSDaysDaysDaysDaysGSL LengthTXx MaxTmaxTNx MaxTminTXn MinTmaxTNn MinTminTN10p CoolnightsTX10p CooldaysTN90p WarmnightsTX90p WarmdaysWSDIWarmspelldurationindicatorWSDICSDIColdspelldurationindicatorCSDIDTRtemperaturerangeDTRRX1dayRx5dayMax1-dayamountMax5-dayamountRX1dayRx5daySDII SimpledailyintensityindexR10NumberofheavydaysNumberofveryR10R20 heavyprecipitationdaysRnnNumberofdaysabovennmmRnnCDD ConsecutivedrydaysCWD Consecutivewetdays

SH)countbetweenfirstspanofatleast6dayswithTG>5oCandfirstspanafterJuly1(January1inSH)of6dayswithTG<5oCMonthlymaximumvalueofdailymaximumtempMonthlymaximumvalueofdailyminimumtempMonthlyminimumvalueofdailymaximumtempMonthlyminimumvalueofdailyminimumtempPercentageofdayswhenTN<10thpercentilePercentageofdayswhenTX<10thpercentilePercentageofdayswhenTN>90thpercentilePercentageofdayswhenTX>90thpercentileAnnualcountofdayswithatleast6consecutivedayswhenTX>90thpercentileAnnualcountofdayswithatleast6consecutivedayswhenTN<10thpercentileMonthlymeandifferencebetweenTXandTNMonthlymaximum1-dayprecipitationMonthlymaximumconsecutive5-dayprecipitationAnnualtotalprecipitationdividedbythenumberofwetdays(definedasPRCP>=1.0mm)intheyearAnnualcountofdayswhenPRCP>=10mmAnnualcountofdayswhenPRCP>=20mmAnnualcountofdayswhenPRCP>=nnmm,nnisuserdefinedthresholdMaximumnumberofconsecutivedayswithRR<1mmMaximumnumberofconsecutivedayswithRR>=1mm

DaysoCoCoCoCDaysDaysDaysDaysDaysDaysoCMmMmMm/dayDaysDaysDaysDaysDaysR95pR99pPRCPTOT

VerywetdaysExtremelywetdaysAnnualtotalwet-dayprecipitation

AnnualtotalPRCPwhenRR>95thpercentile MmAnnualtotalPRCPwhenRR>99thpercentile mmAnnualtotalPRCPinwetdays(RR>=1mm) mmAPPENDIXB:輸入數據格式譯者注：用于輸入的觀測數據文件只能使用純文本格式，不能使用CSV文件等。Allofthedatafilesthatarereadorwrittenareinlistformattedformat.Theexcepttheveryfirstdatafilethatisprocessedinthe“QualityControl”step.Thisinputhasseveralrequirements:ASCIItextfile 譯者注：ASCII(NOTE:PRCPunits=millimetersandTemperatureunits=degreesCelsius)separatedbyoneormorespaces).Fordatarecords,missing

becodedas-99.9;databeincalendardateorder.Missingdatesallowed.ExampledataFormatfortheinitialdatafile(e.g.usedinthe‘Qu:alityControl’ste190111-99.9-3.1-6.8190112-99.9-1.3-3.6190113-99.9-0.5-7.9190114-99.9-1-9.1190117-99.9-1.8-8.4譯者注：數據格式必需與上表保持全都，年、月、日、降水值〔mm〕、最高氣溫、最低氣溫-99.。全部記錄必需按日歷年排序，但允許有缺失。比方上表中15、6、7APPENDIXC:IndicesdefinitionsDefinitionsforindicatorslistedinAppendixA.Forpracticalreasons,inthisversionofthesoftware,notallindicesarecalculatedonamonthlybasis. Monthlyindicesarecalculatedifnomorethan3daysaremissinginamonth,whileannualvaluesarecalculatedifnomorethan15daysaremissinginayear. Noannualvaluewillbecalculatedifanyonemonth’sdataaremissing. Forthresholdindices,athresholdiscalculatedifatleast70%ofdataarepresent.Forspelldurationindicators(markedwitha*),aspellcancontinueintothenext yearandiscountedagainsttheyearinwhichthespellendse.g.acoldspell(CSDI)intheNorthernHemispherebeginningon31stDecember2000andendingon6thJanuary2001iscountedtowardsthetotalnumberofcoldspellsin2001.FD0ijLetTn bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:ijTn 0CijSU25ijLetTxijwhere:

bethedailymaximumtemperatureondayiperiodj.CountthenumberofdaysijTx 25CijID0ijLetTx bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:ijTx 0CijTR20ijLetTn bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:ijTn 20CijGSLijLetTbethemeantemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofdaysbetweenijthefirstoccurrenceofatleast6consecutivedayswith:ijT 5oCijandthefirstoccurrenceafter1stJuly(1stJanuaryinSH)ofatleast6consecutivedayswith:T 5T 5CijTXxkjLetTx bethedailymaximumtemperaturesinmonthk,periodj.Themaximumdailykjmaximumtemperatureeachmonthisthen:-kj TXx max(Txkj TNxkjLetTn bethedailyminimumtemperaturesinmonthk,periodj.Themaximumdailykjminimumtemperatureeachmonthisthen:-kj TNx max(Tnkj TXnkjLetTx bethedailymaximumtemperaturesinmonthk,periodj.Theminimumdailykjmaximumtemperatureeachmonthisthen:-kj TXn min(Txkj TNnkjLetTn bethedailyminimumtemperaturesinmonthk,periodj.Theminimumdailykjminimumtemperatureeachmonthisthen:-kj TNn min(Tnkj Tn10pLetTn

bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodjandletTn10betheij incalendarday10thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:10TnTnij in10TnTx10pLetTx bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodjandletTx10betheij incalendarday10thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:Tx Tx10ij ininTn90pinijLetTnij

bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodjandletTn

90bethecalendarday90thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:ij ij inTx90pinijLetTxij

bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodjandletTx

90bethecalendarday90thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:ij Tx Txij inWSDI*inijLetTxij

bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodjandletTx

90bethecalendarday90thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thenthenumberofdaysperperiodissummedwhere,inintervalsofatleast6consecutivedays:-ij TxTxij CSDI*LetTn

bethedailyminimumtemperatureatdayiinperiodjandletTx10betheij incalendarday10thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingthemethodfromAppendixD).Thenthenumberofdaysperperiodissummedwhere,inintervalsofatleast6consecutivedays:-10TnTnij in10TnDTRijijLetTx andTn bethedailymaximumandminimumtemperaturerespectivelyondayijijiinperiodj.IfIrepresentsthenumberofdaysinj,then:jDTRj

Ii1

TxijijTxijI

TnRX1dayijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Thenmaximum1-dayijvaluesforperiodjare:j Rx1daymax(RRj Rx5daykjLetRR betheprecipitationamountforthe5-dayintervalendingk,periodj.Thenkjmaximum5-dayvaluesforperiodjare:j Rx5daymax(RRj SDIIwjLetRRwj

bethedailyprecipitationamountonwetdays,w(RR1mm)inperiodj.IfWrepresentsnumberofwetdaysinj,then:SDII

WRRwjRRjwjW20.R10ijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:RRij10mmRRij21.R20ijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:RRij20mmRnnijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Ifnnrepresentsanyijreasonabledailyprecipitationvaluethen,countthenumberofdayswhere:RRijnnmmCDD*連續(xù)無雨日數〔持續(xù)枯燥指數〕，閾值為<1mmijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthelargestnumberijofconsecutivedayswhere:RRijRRij譯者注：譯者通過對源程序CDD模塊的分析，找到了修改閾值的語句。RCLIMDEXCDD閾值僅是<1mm，而農業(yè)干旱等實際爭論中存在多種降水閾值的設定。如<3mm，<5mm等。一篇美國農業(yè)干旱文獻設為<6.35mm。僅需修改3處，其他操作不變如下〔6.35為例〕：1.300行prcp>=1改為prcp>=6.35〔或其他因地制宜之干旱指標閾值〕2.303行PRCP>=1mm改為PRCP>=6.35mm〔此句僅用作繪圖標題，并不參與計算，不改亦無大礙〕3.1905行這是最關鍵的一句。應將mid[j]<1改為mid[j]<6.35CWD*ijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthelargestnumberijofconsecutivedayswhere:RRijRRijR95pTOTwjLetRRwj

bethedailyprecipitationamountonawetdayw(RR1.0mm)inperiodjandRRletRRwn

95bethe95thpercentileofprecipitationonwetdaysinthe1961-1990period.Ifwj wj Wrepresentsthenumberofwetdaysintheperiod,wj wj jR95pWjw=1wjR99pwj

RR whereRR RR 95LetRR

bethedailyprecipitationamountonawetdayw(RR1.0mm)inperiodjandwnletRR 99bethe99thpercentileofprecipitationonwetdaysinthe1961-1990period.IfwnWrepresentsnumberofwetdaysintheperiod,then:jwj wj R99pjwj wj w=1

RR whereRR RR 99PRCPTOTLetRRijbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.IfIrepresentsthenumberofdaysinj,thenjRRijPRCPTOTIjRRiji1AppendixD閾值〔門檻值〕估量與基期溫度指數計算Empiricalquantileestimation:ThequantileofadistributionisdefinedasQ(p)F1(p)inf{x:F(x)p},1<p<1,whereF(x)isthedistributionfunction.Let{X

,...,X

}denotetheorderstatisticsof{X,...,X1

}(i.e.sortedvaluesof}),andlet?(p)denotetheithsamplequantilen idefinition.Thesamplequantilescanbegenerallywrittenas?(p)1)Xi

.(j1)HyndmanandFan(1996)suggestaformulatoobtainmediumun-biasedestimateofthequantilebylettingjint(p*n(1p)/3))andlettingp*n(1p)/3j,whereint(u)isthelargestintegernotgreaterthanu.Theempiricalquantileissettothesmallestorlargestvalueinthesamplewhenj<1orj>nrespectively.Thatis,quantileestima