氣候統(tǒng)計第一章

1、氣候統(tǒng)計第一章第1頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四主要參考書：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)計診斷與預測技術，氣象出版社，北京，2007黃嘉佑，氣象統(tǒng)計分析與預報方法，氣象出版社，北京，2000參考書目基本要求第一部分第2頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四其它參考書：Von Storch H., Zwiers F. W., Statistica

2、l analysis in climate research, Cambridge University Press, 1999吳洪寶，吳蕾，氣候變率診斷和預測方法，氣象出版社，北京，2005么枕生，丁裕國，氣候統(tǒng)計，氣象出版社，北京，1990參考書目基本要求第一部分第3頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四平時作業(yè)+期末筆試平時作業(yè)，共三次，占總成績40%；期末閉卷筆試，占總成績60%；作業(yè)的形式主要以應用和實踐形式為主，以利于大家更好的理解和掌握氣候統(tǒng)計方法。考核方式基本要求第一部分第4頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四本課程并不需要同學具有非常強的

3、數(shù)理以及大氣科學背景知識；具有較強的大氣科學背景的同學將更有利于接受本課程的內(nèi)容；具有一定的fortran或者其它計算機語言編程能力的同學有助于更好的應用本課程的相關知識。必備知識基本要求第一部分第5頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四本課程要求會利用計算機程序處理氣候或者地球科學中的相關問題；但本課程不會占用課堂時間進行上機實踐，因此要求大家利用課后時間進行上機實習。課后要求基本要求第一部分第6頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四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)和方向同學的接受能力；本課程是本人與大家共同學習的過程，本人無

4、法回答或者解釋的問題我將咨詢相關的專家和學者，盡可能給出大家科學、準確的回答；大家對教學有任何意見和建議，均可直接或通過email等方式告訴我。對“我”的要求基本要求第一部分第7頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四第一章 緒論 氣候統(tǒng)計診斷的概念；氣候統(tǒng)計診斷研究的內(nèi)容；氣候統(tǒng)計診斷的一般步驟；典型問題和概念。第二章 基本氣候狀態(tài)的統(tǒng)計量 中心趨勢統(tǒng)計量；變化幅度統(tǒng)計量；分布特征統(tǒng)計量；相關統(tǒng)計量。第三章 基本氣候狀態(tài)的統(tǒng)計檢驗 統(tǒng)計檢驗概述；氣候穩(wěn)定性檢驗；相關性檢驗；分布的統(tǒng)計檢驗?；A知識大綱安排第二部分第8頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四第四

5、章 回歸分析 一元線性回歸；多元線性回歸；逐步回歸；回歸分析在氣象中的應用。第五章 氣候變化趨勢分析 線性傾向估計；滑動平均；累計距平；五、七和九點二次平滑；五點三次平滑等，變化趨勢的顯著性檢驗。應用知識大綱安排第二部分第9頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四第六章 氣候突變檢測 滑動t檢驗，Mann-Kendall檢驗；Pettitt方法，標準正態(tài)歸一檢驗（SNHT），Buishand range 檢驗等。第七章 氣候序列中振蕩信號的時空特征的提取 功率譜，最大熵譜，多通道奇異譜分析，MTM-SVD方法。第八章 氣候變量場時空結構的分離 經(jīng)驗正交函數(shù)分解，旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)

6、分解。 應用知識大綱安排第二部分第10頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四什么是統(tǒng)計學氣候統(tǒng)計描述第三部分收集和分析數(shù)據(jù)以得到結論并作出決策的科學；統(tǒng)計不能完全代替判斷；統(tǒng)計學關注的問題是“不確定”的，而統(tǒng)計方法可以估計或者量化這些不確定的問題，并作出相應的參考或預測；大氣運動本身存在很多不確定性，假如這些不確定性因素均不存在，則不存在不準確的天氣預報，也不用我們學習統(tǒng)計學的知識。第11頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四什么是統(tǒng)計學氣候統(tǒng)計描述第三部分在計算機出現(xiàn)之前，涉及到數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計學是一門枯燥、繁重且耗時的學科，尤其是一些重要而有用的方法無法在

7、實際工作中使用；氣候統(tǒng)計學便是利用已有的、且已證明可用于氣候現(xiàn)象和過程分析的統(tǒng)計方法的應用。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候統(tǒng)計學的2個分支氣候統(tǒng)計描述第三部分為了更便于了解氣候統(tǒng)計學，將其分為2支，即描述性統(tǒng)計方法（descriptive statistics）和推論性統(tǒng)計方法（inferential statistics）。第13頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四描述性統(tǒng)計方法氣候統(tǒng)計描述第三部分描述性統(tǒng)計方法意即對數(shù)據(jù)的組織以及概括；大氣科學中既包括觀測資料（地面、高空、雷達、衛(wèi)星資料等等），還包括模式模擬結果以及再分析資料等；如何

8、從大量的數(shù)據(jù)中有效的提取基本信息？描述性統(tǒng)計方法并不是簡單的數(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。第14頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四推論性統(tǒng)計方法氣候統(tǒng)計描述第三部分推論性統(tǒng)計方法則是由許多方法和程序組成，通過運用這些方法和程序理解數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程；通過數(shù)據(jù)本身探尋其內(nèi)在的物理含義。第15頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候?qū)W氣候統(tǒng)計描述第三部分氣候?qū)W最初是地理學的一個分支，該學科建立初期，主要以描述性的方法為主；氣候?qū)W需要描述的內(nèi)容簡而言之就是“平均態(tài)”和“異常態(tài)”；而在計算機快速發(fā)展前，即數(shù)值方法沒有得到廣泛應用前，統(tǒng)計方法是

9、最主要的研究工具。第16頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候統(tǒng)計方法有存在的必要嗎？氣候統(tǒng)計描述第三部分數(shù)值模式的快速發(fā)展和日臻成熟：業(yè)務預報中的廣泛應用；科學研究中的大量應用；氣候統(tǒng)計方法還有生命力嗎？第17頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四大氣運動的不確定性氣候統(tǒng)計描述第三部分如果大氣過程是定常的、周期性的，那么我們可以很容易以數(shù)學形式來描述這些過程，天氣預報也會變得更加的容易，氣象學就失去了魅力；當然，大氣的變化在很大程度上是不確定的，無規(guī)律的，這促使我們大量的收集和分析各種氣象要素數(shù)據(jù)來尋找它的變化規(guī)律。氣候是一種受到多種因素影響的動力系統(tǒng)

10、，如果我們能精確知道影響氣候變化的動力過程，我們將不需要統(tǒng)計，但我們不能；第18頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四大氣運動的不確定性氣候統(tǒng)計描述第三部分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 Beijing could affect the weather thousands of miles away some days later. This sensitivity i

11、s now called the butterfly effect. E. N. Lorenz(1917-2008)第19頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四數(shù)值模式能否克服大氣過程中的不確定？氣候統(tǒng)計描述第三部分回答是否定，原因是：即便模式本身足夠好，使大氣運動的預報演變?yōu)榧兇獾某踔祮栴}，我們?nèi)匀粺o法得到完全精確的初始場；大氣模式是對真實大氣過程的相當程度的逼近，并不能完全代表控制大氣活動的整個物理過程；尤其是對于小尺度擾動，大氣模式無法給出這些小擾動代表的物理過程。第20頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四數(shù)值模式能否克服大氣過程中的不確定？氣候統(tǒng)計

12、描述第三部分即便是數(shù)值模式能完全體現(xiàn)大氣活動涉及的相關物理過程，由于存在動力擾動（混沌）（Lorenz，1963），我們?nèi)匀粺o法控制模式結果的正確性；在目前的數(shù)值模式計算，即便是一個微小的改動（或者說在兩組初始條件非常接近情況下的數(shù)值計算），都有可能造成計算結果遠遠偏離實際情況（兩組結果可能有顯著的差異）。第21頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四數(shù)值模式能否克服大氣過程中的不確定？氣候統(tǒng)計描述第三部分而大氣過程是不可能完全由觀測得到的，也使得我們不可能給出與真實大氣狀況完全一致的初始場；因而對未來大氣狀況和過程的預報將是不確定的，概率預報或者說統(tǒng)計方法也是氣候預測不可或缺

13、的工具。第22頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四數(shù)值模式能否克服大氣過程中的不確定？氣候統(tǒng)計描述第三部分“Just as relativity eliminated the Newtonian illusion of absolute space and time, and as quantum theory eliminated the Newtonian and Einsteinian dream of a controllable measurement process, chaos eliminates the Laplacian fantasy of long-

14、term deterministic predictability”。 Zeng and Eykhold, 1993第23頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四隨機性氣候統(tǒng)計描述第三部分需要強調(diào)的是隨機性（randomness）的含義不是“不可預測（unpredictability）”，而是“不可精確預測（not precisely predictable）”；例如對于明天降水量的預測，通過歷史上的降水量的紀錄，利用簡單的統(tǒng)計分析我們可以對明天降水量做一個預測，這比我們憑空想象得到的結果更為精確；然而我們的工作不能僅到此為止，降低隨機氣象事件預測的不確定性是我們的最終目的。第

15、24頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候平均態(tài)氣候統(tǒng)計描述第三部分從氣候?qū)W家的觀點，最基本的氣候參數(shù)是平均態(tài)；但是，由計算得到的平均值，并不能完全代表氣候系統(tǒng)的真實的長期平均態(tài)；有限的觀測時段、離散的觀測時間、有限的觀測點造成的計算誤差；儀器誤差；第25頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候平均態(tài)氣候統(tǒng)計描述第三部分氣候平均態(tài)并不是典型態(tài)；長期平均態(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；在實際觀測中，通常是很難觀測到與氣候平均態(tài)非常近似的分布形勢；在選用氣候平均時段時，盡量滿足代表性、說明性、可靠性原則；第26頁，共34頁，20

16、22年，5月20日，7點57分，星期四氣候平均態(tài)氣候統(tǒng)計描述第三部分氣候平均態(tài)是一種估計態(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，對于氣候態(tài)的描述不存在“對”與“錯”的問題，而是與真實值的接近程度如何；例如：對某觀測臺站一月的氣壓的估計，數(shù)據(jù)量為104個觀測值；第一組，時間間隔為1分鐘；第二組，時間間隔為1周；第27頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四含義氣候統(tǒng)計的含義及研究的內(nèi)容第四部分氣候統(tǒng)計是根據(jù)氣候觀測資料對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)計學的觀點來看，某個氣象要素及其變化可看成為一個變量或隨機變量，它的全體在概

17、率論中稱為總體，而我們收集到的該要素的資料稱為樣本；我們學習的目的就是如何用統(tǒng)計學的方法對樣本進行分析來估計和推測總體的規(guī)律性。第28頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四研究內(nèi)容氣候統(tǒng)計的含義及研究的內(nèi)容第四部分應用統(tǒng)計方法了解區(qū)域性或全球性氣候變化的時空分布特征、變化規(guī)律及氣候異常的程度。主要針對月以上至幾十年時間尺度的變化，即主要研究月、季、年及年代4個時間尺度的氣候變化。通過統(tǒng)計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，進而探索氣候異常形成的物理機制；對氣候數(shù)值模擬結果與實際變化狀況之間的差異進行統(tǒng)計分析。第29頁，共34頁，2022年

18、，5月20日，7點57分，星期四氣候統(tǒng)計分析的一般步驟氣候統(tǒng)計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)計分析的根本；資料的選取應遵循精確性、均一性、代表性和比較性的原則；資料的樣本長度和區(qū)域范圍應以所研究問題的對象為主；第30頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候統(tǒng)計分析的一般步驟氣候統(tǒng)計分析的一般步驟第五部分二、 資料預處理：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。如存在上述問題應首先對資料進行均一化處理；確定資料在時間上是否是連續(xù)的，如不連續(xù)則應在時間上采用插值等方法處理；對于非觀測資料的使用，如再分析資料或模式模擬資料在使用前應與觀測資料作對比分析；保證資料的質(zhì)量是進行下一步分析最重要的一步。第31頁，共34頁，2022年，5月20日，7點57分，星期四氣候統(tǒng)計分析的一般步驟氣候統(tǒng)計分析的一般步驟第五部分三、 根據(jù)所研究問題選擇恰當?shù)慕y(tǒng)計方法：不恰當?shù)姆椒ê茈y達到預期的研究效果；例如，采用旋轉(zhuǎn)EOF