時間序列大作業(yè)報告

1、題目： 時間序列數(shù)據(jù)分析報告 臺北市近今年降雨量分析及預測 班級 學號 姓名 考試日期 2016年6月15日目錄1、 背景介紹 32、 數(shù)據(jù)來源及說明 33、 實驗原理及方法 44、 分析及預測 45、 結果總結 106、 心得體會 111、 背景介紹 臺北市：臺北位于臺灣島北部的臺北盆地，被新北市環(huán)繞，西界淡水河及其支流新店溪，東至南港附近，南至木柵以南丘陵區(qū)，北包大屯山東南麓。臺北是中國臺灣地區(qū)的六個“直轄市”之一，也是中國臺灣地區(qū)的政治、經濟、文化、旅游、工商業(yè)與傳播中心，僅次于新北市的第二大城市。臺北市位于北緯25度線附近，北回歸線以北，又因為是在海島上，地處東亞大陸與太平洋之間，受干

2、冷的蒙古高壓與暖濕的太平洋高壓交互影響，形成了亞熱帶季風氣候。由于海洋的調節(jié)，其氣溫比同緯度大陸地區(qū)高25，尤其在秋冬季節(jié)，此特點尤為突出。從緯度來看，臺北位于北回歸線以北，屬于亞熱帶季風氣候。但從各月平均氣溫來看，卻酷似熱帶季風氣候，表現(xiàn)在：長夏無冬，只有熱季與涼季之分：通常411月為熱季、12次年3月為涼季。有時受到全球暖化或特殊的氣候變化影響，涼季期間也會出現(xiàn)忽暖忽冷的現(xiàn)象（如2005年23月蒙古高壓帶來的強烈冷氣團，使得臺北的溫度少見地降至攝氏5.6度，鄰近臺北的淡水更出現(xiàn)攝氏3.9度的低溫）。由于臺北位于東亞季風帶內，因此氣候也受東北季風影響。也因為有東北季風的影響，才不致使淡水河有

3、因水量不足而斷流的問題。另外還有一個特殊的氣候特征：因為市區(qū)主要位于臺北盆地中，氣候也深受盆地地形影響。夏季由于盆地周圍的高山而不易使熱氣排出，使得市內的氣溫通常較周圍的地區(qū)高出攝氏12度。進入冬季后，市區(qū)周圍的山地與丘陵地較容易形成地形雨。每年5月前后，由于蒙古高壓與太平洋高壓交會形成鋒面，使得臺灣進入梅雨季節(jié)，此時臺北的降雨天數(shù)也會增加。夏季也經常會因為上升氣流旺盛，形成午后雷陣雨。由于夏季時常伴隨著臺風的侵襲，對臺灣人民造成相當大的影響，而臺北市作為臺灣島的政治、經濟中心，因此對于臺北市的降雨量分析和預測研究有十分的必要。2、 數(shù)據(jù)來源及說明數(shù)據(jù)來源：臺灣交通部中央氣象局。交通部中央氣象

4、局（簡稱中央氣象局或CWB），原為民國時期中國的氣象專責機構（1941年成立，1949年遷臺），后成為中國臺灣地區(qū)的氣象專責機構，1971年恢復建制（臺灣當局“交通部中央氣象局”），2014年臺灣“環(huán)境資源部”成立后將改隸并更名為“環(huán)境資源部氣象局”?，F(xiàn)負責中國臺灣地區(qū)的氣象觀測及預報業(yè)務，包括天氣、地震、海象、天文等地球科學項目，也是臺灣地區(qū)官方的氣象預報、臺風警報、災害性天氣特報（豪雨特報、強風特報、低溫特報等）及地震報告的發(fā)布單位。（.tw/V7/climate/monthlyData/mD.htm）說明：作為中國臺灣地區(qū)的氣象專責機構，CWB對于臺灣地

5、區(qū)長期的氣象資料有著專業(yè)和詳盡的記錄，是為選取數(shù)據(jù)的優(yōu)良來源。三、實驗原理及方法1、數(shù)據(jù)收集和整理，建立時間序列；2、檢驗時間序列平滑性，確定是否需要差分；3、當序列平穩(wěn)，確定要用的模型和階數(shù)，白噪聲檢驗以及預測結果；4、根據(jù)每個模型的檢驗結果，并與實際結果比較，對使用過的模型進行評價；四、分析及預測（一）、數(shù)據(jù)收集和整理，建立時間序列：（2） 、檢驗時間序列平滑性，確定是否需要差分：可見，該序列并不平穩(wěn)，故先對其進行一階差分：即一階差分以后，序列平穩(wěn)。（3） 、當序列平穩(wěn)，確定要用的模型和階數(shù)，白噪聲檢驗以及預測結果:1、 首先檢驗自相關性：由自相關圖和偏自相關圖可知，可以選用AR(11)模

6、型。2、 結果預測（樣本量N=107，預測2015年12月2016年5月臺北市的降雨量，單位：mm）：實際值：2015.1275.7mm2016.01256mm2016.0278.9mm2016.03285.7mm2016.04184.4mm2016.05186.7mm3、 白噪聲檢驗：既然相關圖顯示出在滯后1 - 20階（ l a g s 1 - 20 ）中樣本自相關值都沒有超出顯著（置信）邊界，而且Ljung-Box檢驗的p值為0.86，所以我們推斷在滯后1-20階（lags1-20）中沒明

7、顯證據(jù)說明預測 誤差是非零自相關的。繪制預測圖：（4） 、根據(jù)模型的檢驗結果，并與實際結果比較，對模型進行評價：其實從預測值與觀測值來看，結果并沒有很好的符合實際。原因有幾點：1、 數(shù)據(jù)量不夠：因為從數(shù)據(jù)來源的網站（見（一），只有近十年的數(shù)據(jù)記載，所以只能數(shù)據(jù)量不夠。由于降雨量與所研究地區(qū)本身的地理位置有關以外，還與宏觀的氣候因素有關，數(shù)據(jù)量不夠造成的硬傷就是失去了大量的數(shù)據(jù)所包含的宏觀氣候因素對整體的降雨量產生的影響，以至于預測結果與實際觀測值有出入；2、 厄爾尼諾現(xiàn)象的影響：由于20142015年為大型厄爾尼諾年，上一次大型厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生在19971998年，98年的特大洪澇災

8、害就是強厄爾尼諾的體現(xiàn)，盡管厄爾尼諾在98年至14年之間也發(fā)生過幾次，但規(guī)模都比較小。 i)厄爾尼諾現(xiàn)象：厄爾尼諾暖流，太平洋一種反常的自然現(xiàn)象，在南美洲西海岸、南太平洋東部，自南向北流動著一股著名的秘魯寒流，每年的11月至次年的3月正是南半球的夏季，南半球海域水溫普遍升高，向西流動的赤道暖流得到加強。恰逢此時，全球的氣壓帶和風帶向南移動，東北信風越過赤道受到南半球自偏向力（也稱地轉偏向力）的作用，向左偏轉成西北季風。西北季風不但削弱了秘魯西海岸的離岸風東南信風，使秘魯寒流冷水上泛減弱甚至消失，而且吹拂著水溫較高的赤道暖流南下，使秘魯寒流的水溫反常升高。這股悄然而至、不固定的洋流被稱為“厄爾尼

9、諾暖流”。 根據(jù)2015年12月27日美國國家航空暨太空總署(NASA)新發(fā)布的衛(wèi)星影像顯示，太平洋上厄爾尼諾現(xiàn)象沒有轉弱跡象。專家預測2016年可能成為厄爾尼諾破壞力最大的一年。 每隔數(shù)年，東南信風減弱，東太平洋冷水上翻現(xiàn)象消失，表層暖水向東回流，導致赤道東太平洋海面上升，海面水溫升高，秘魯、厄瓜多爾沿岸由冷洋流轉變?yōu)榕罅?。厄爾尼諾對氣候的影響，以環(huán)赤道太平洋地區(qū)最為顯著，原來的干旱氣候轉變?yōu)槎嘤隁夂?，甚至造成洪水泛濫。 總部位于日內瓦的世界氣象組織2014年4月15日發(fā)布新聞發(fā)布會稱，鑒于太平洋赤道海域海水溫度已達到出現(xiàn)厄爾尼諾暖流前兆的程度，2014中期可能出現(xiàn)厄爾尼諾現(xiàn)象。這種海溫偏

10、高的狀態(tài)還在持續(xù)，并且已經基本確定2014年會發(fā)生厄爾尼諾事件。專家介紹這將很可能對我國的降水格局產生影響，2014年秋季，我國南方可能出現(xiàn)低溫陰雨災害，北方可能出現(xiàn)秋旱，東北秋糧產區(qū)初霜凍日期可能會提前。2015年4月20日，水利部部長陳雷指出，根據(jù)氣象水文預測分析，受厄爾尼諾事件影響，2015年汛期我國氣象年景中等偏差，中國降水總體偏多，長江流域可能發(fā)生較重洪澇災害，防汛抗旱形勢不容樂觀。國家氣候中心預計，此次厄爾尼諾事件將繼續(xù)維持。受其影響，今年夏季，中國可能出現(xiàn)“南澇北旱”：江淮流域和江南降水可能會比常年同期偏多，局部出現(xiàn)洪澇災害，而華北干旱較重。國家氣候中心預測，本次厄爾尼諾事件將至

11、少持續(xù)到2016年春季，可能在2015年11-12月達到峰值。 根據(jù)臺北的地理位置以及氣候特點結合厄爾尼諾現(xiàn)象的影響分析可知，在厄爾尼諾年一般會造成暖冬、淮河以南地區(qū)持續(xù)降雨，由2015年的降雨數(shù)據(jù)可以看到，7/8/9月的降雨量都在300mm以上，7月甚至達到了700mm以上；而到了涼季，可以看到14年和15年9月之后包括15年1月每月的降雨都幾乎不足100mm，然而在16年1月，實際降雨量卻達到了256mm的降雨量，這與預測值相差很大，這與厄爾尼諾現(xiàn)象的影響分不開，而且由于厄爾尼諾事件的滯后性，這些影響會持續(xù)到16年春季，這也就是預測值和觀測值出入較大的重要原因。從這幾個月的降雨量年均值來看

12、，預測的結果還是比較可靠的。5、 結果總結 本次實驗通過近8年臺北市降雨量的數(shù)據(jù)，差分平穩(wěn)化后應用了AR（11）模型進行模擬和預測，得到了從2015年12月到2016年5月的降雨量預測值并通過了白噪聲檢驗，因此可以認為，該模型的選取是適合的。盡管預測的結果與實際觀測值有些出入，但是總體的趨勢是符合的，一定程度上可以認為該預測結果可以反映出15年12月至16年5月的降雨量趨勢，并可以為有關部門對可能出現(xiàn)的情況提供信息，以便制定相應的應對策略，這便在一定程度上達到了預測的效果。6、 心得體會 本次實驗，使用了R3.3.0軟件，因此在對R語言編程這一方面提高了自己的能力，盡管還不能做到完全的掌握，但是對于基本的與時間序列有關的函數(shù)和作圖都有了一定的了解且能比較熟練的運用。在數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)選取的過程中，也看到在大數(shù)據(jù)時代，我們的專業(yè)知識可以有什么樣的應用，當然，以目前所掌握的知識是遠遠不夠的，大量的數(shù)據(jù)如何篩選、如何處理都是可以好好研究的問題，這也更激勵了我在今后的學習過程中努力地拓寬自己的知識面、加強專業(yè)領域的知識儲備。同時，由于在選取模型和模型定階的過程中，也遇到過一些問題，因此對于這方面的知識也有了更加深入和形象的理解。這次實驗，理論結合實際，一方面將課本中學到的知識運用于實際問題中，并通過這一過程實現(xiàn)一些功能或達到一定的目的；另一方面，在實際操作的