气候统计-第一章.ppt

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1、华丽娟,第一章 绪论,中国科学院研究生院 地球科学学院2010年2月25日,绪论,气候统计方法和应用,主要参考书：Wilks D.S.,Statistical methods in the atmospheric sciences:an introduction,Academic Press,San Diego,1995魏凤英，现代气候统计诊断与预测技术，气象出版社，北京，2007黄嘉佑，气象统计分析与预报方法，气象出版社，北京，2000,参考书目,基本要求,第一部分,其它参考书：Von Storch H.,Zwiers F.W.,Statistical analysis in climate

2、 research,Cambridge University Press,1999吴洪宝，吴蕾，气候变率诊断和预测方法，气象出版社，北京，2005么枕生，丁裕国，气候统计，气象出版社，北京，1990,参考书目,基本要求,第一部分,平时作业+期末笔试平时作业，共三次，占总成绩40%；期末闭卷笔试，占总成绩60%；作业的形式主要以应用和实践形式为主，以利于大家更好的理解和掌握气候统计方法。,考核方式,基本要求,第一部分,本课程并不需要同学具有非常强的数理以及大气科学背景知识；具有较强的大气科学背景的同学将更有利于接受本课程的内容；具有一定的fortran或者其它计算机语言编程能力的同学有助于更好的

3、应用本课程的相关知识。,必备知识,基本要求,第一部分,本课程要求会利用计算机程序处理气候或者地球科学中的相关问题；但本课程不会占用课堂时间进行上机实践，因此要求大家利用课后时间进行上机实习。,课后要求,基本要求,第一部分,尽我所能讲授好这门课程；课程内容以及难度尽可能兼顾班上不同专业和方向同学的接受能力；本课程是本人与大家共同学习的过程，本人无法回答或者解释的问题我将咨询相关的专家和学者，尽可能给出大家科学、准确的回答；大家对教学有任何意见和建议，均可直接或通过email等方式告诉我。,对“我”的要求,基本要求,第一部分,第一章 绪论 气候统计诊断的概念；气候统计诊断研究的内容；气候统计诊断的

4、一般步骤；典型问题和概念。第二章 基本气候状态的统计量 中心趋势统计量；变化幅度统计量；分布特征统计量；相关统计量。第三章 基本气候状态的统计检验 统计检验概述；气候稳定性检验；相关性检验；分布的统计检验。,基础知识,大纲安排,第二部分,第四章 回归分析 一元线性回归；多元线性回归；逐步回归；回归分析在气象中的应用。第五章 气候变化趋势分析 线性倾向估计；滑动平均；累计距平；五、七和九点二次平滑；五点三次平滑等，变化趋势的显著性检验。,应用知识,大纲安排,第二部分,第六章 气候突变检测 滑动t检验，Mann-Kendall检验；Pettitt方法，标准正态归一检验（SNHT），Buishand

5、 range 检验等。第七章 气候序列中振荡信号的时空特征的提取 功率谱，最大熵谱，多通道奇异谱分析，MTM-SVD方法。第八章 气候变量场时空结构的分离 经验正交函数分解，旋转经验正交函数分解。,应用知识,大纲安排,第二部分,什么是统计学,气候统计描述,第三部分,收集和分析数据以得到结论并作出决策的科学；统计不能完全代替判断；统计学关注的问题是“不确定”的，而统计方法可以估计或者量化这些不确定的问题，并作出相应的参考或预测；大气运动本身存在很多不确定性，假如这些不确定性因素均不存在，则不存在不准确的天气预报，也不用我们学习统计学的知识。,什么是统计学,气候统计描述,第三部分,在计算机出现之前

6、，涉及到数据分析的统计学是一门枯燥、繁重且耗时的学科，尤其是一些重要而有用的方法无法在实际工作中使用；气候统计学便是利用已有的、且已证明可用于气候现象和过程分析的统计方法的应用。,气候统计学的2个分支,气候统计描述,第三部分,为了更便于了解气候统计学，将其分为2支，即描述性统计方法（descriptive statistics）和推论性统计方法（inferential statistics）。,描述性统计方法,气候统计描述,第三部分,描述性统计方法意即对数据的组织以及概括；大气科学中既包括观测资料（地面、高空、雷达、卫星资料等等），还包括模式模拟结果以及再分析资料等；如何从大量的数据中有效的提

7、取基本信息？描述性统计方法并不是简单的数字游戏，而是如何从中提取我们兴趣的自然现象的信息。,推论性统计方法,气候统计描述,第三部分,推论性统计方法则是由许多方法和程序组成，通过运用这些方法和程序理解数据的产生过程；通过数据本身探寻其内在的物理含义。,气候学,气候统计描述,第三部分,气候学最初是地理学的一个分支，该学科建立初期，主要以描述性的方法为主；气候学需要描述的内容简而言之就是“平均态”和“异常态”；而在计算机快速发展前，即数值方法没有得到广泛应用前，统计方法是最主要的研究工具。,气候统计方法有存在的必要吗？,气候统计描述,第三部分,数值模式的快速发展和日臻成熟：业务预报中的广泛应用；科学

8、研究中的大量应用；气候统计方法还有生命力吗？,大气运动的不确定性,气候统计描述,第三部分,如果大气过程是定常的、周期性的，那么我们可以很容易以数学形式来描述这些过程，天气预报也会变得更加的容易，气象学就失去了魅力；当然，大气的变化在很大程度上是不确定的，无规律的，这促使我们大量的收集和分析各种气象要素数据来寻找它的变化规律。气候是一种受到多种因素影响的动力系统，如果我们能精确知道影响气候变化的动力过程，我们将不需要统计，但我们不能；,大气运动的不确定性,气候统计描述,第三部分,Lorenz系统相空间轨迹（Lorenz,1963）,In his famous 1963 paper Lorenz

9、picturesquely explains that a butterfly flapping its wings in 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),数值模式能否克服大气过程中的不确定？,气候统计描述,第三部分,回答是否定，原因是：即便模式本身足够好，使大气运动的预报演变为纯粹的初值问题，我们仍然无法得到完全精确的初始场；大气模

10、式是对真实大气过程的相当程度的逼近，并不能完全代表控制大气活动的整个物理过程；尤其是对于小尺度扰动，大气模式无法给出这些小扰动代表的物理过程。,数值模式能否克服大气过程中的不确定？,气候统计描述,第三部分,即便是数值模式能完全体现大气活动涉及的相关物理过程，由于存在动力扰动（混沌）（Lorenz，1963），我们仍然无法控制模式结果的正确性；在目前的数值模式计算，即便是一个微小的改动（或者说在两组初始条件非常接近情况下的数值计算），都有可能造成计算结果远远偏离实际情况（两组结果可能有显著的差异）。,数值模式能否克服大气过程中的不确定？,气候统计描述,第三部分,而大气过程是不可能完全由观测得到的

11、，也使得我们不可能给出与真实大气状况完全一致的初始场；因而对未来大气状况和过程的预报将是不确定的，概率预报或者说统计方法也是气候预测不可或缺的工具。,数值模式能否克服大气过程中的不确定？,气候统计描述,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

12、eliminates the Laplacian fantasy of long-term deterministic predictability”。Zeng and Eykhold,1993,随机性,气候统计描述,第三部分,需要强调的是随机性（randomness）的含义不是“不可预测（unpredictability）”，而是“不可精确预测（not precisely predictable）”；例如对于明天降水量的预测，通过历史上的降水量的纪录，利用简单的统计分析我们可以对明天降水量做一个预测，这比我们凭空想象得到的结果更为精确；然而我们的工作不能仅到此为止，降低随机气象事件预测的不确

13、定性是我们的最终目的。,气候平均态,气候统计描述,第三部分,从气候学家的观点，最基本的气候参数是平均态；但是，由计算得到的平均值，并不能完全代表气候系统的真实的长期平均态；有限的观测时段、离散的观测时间、有限的观测点造成的计算误差；仪器误差；,气候平均态,气候统计描述,第三部分,气候平均态并不是典型态；长期平均态平滑掉了许多不规则的、剧烈的变化，因此掩盖了许多年际变化；在实际观测中，通常是很难观测到与气候平均态非常近似的分布形势；在选用气候平均时段时，尽量满足代表性、说明性、可靠性原则；,气候平均态,气候统计描述,第三部分,气候平均态是一种估计态，也就是近似值或者是基于样本数据的猜想值，精确的

14、值我们不可能知道，因此，对于气候态的描述不存在“对”与“错”的问题，而是与真实值的接近程度如何；例如：对某观测台站一月的气压的估计，数据量为104个观测值；第一组，时间间隔为1分钟；第二组，时间间隔为1周；,含义,气候统计的含义及研究的内容,第四部分,气候统计是根据气候观测资料对气候变化与气候异常的程度及成因做出判断；从概率论或统计学的观点来看，某个气象要素及其变化可看成为一个变量或随机变量，它的全体在概率论中称为总体，而我们收集到的该要素的资料称为样本；我们学习的目的就是如何用统计学的方法对样本进行分析来估计和推测总体的规律性。,研究内容,气候统计的含义及研究的内容,第四部分,应用统计方法了

15、解区域性或全球性气候变化的时空分布特征、变化规律及气候异常的程度。主要针对月以上至几十年时间尺度的变化，即主要研究月、季、年及年代4个时间尺度的气候变化。通过统计方法探索气候变量之间及其与其它物理因素之间的联系，研究造成气候异常的原因，进而探索气候异常形成的物理机制；对气候数值模拟结果与实际变化状况之间的差异进行统计分析。,气候统计分析的一般步骤,气候统计分析的一般步骤,第五部分,一、收集资料：资料（数据）是气候统计分析的根本；资料的选取应遵循精确性、均一性、代表性和比较性的原则；资料的样本长度和区域范围应以所研究问题的对象为主；,气候统计分析的一般步骤,气候统计分析的一般步骤,第五部分,二、

16、资料预处理：确定资料是否是可靠的，精确的，是否存在人为因素造成的不均一性，如台站资料由于迁站造成迁站前后资料的不连续性。如存在上述问题应首先对资料进行均一化处理；确定资料在时间上是否是连续的，如不连续则应在时间上采用插值等方法处理；对于非观测资料的使用，如再分析资料或模式模拟资料在使用前应与观测资料作对比分析；保证资料的质量是进行下一步分析最重要的一步。,气候统计分析的一般步骤,气候统计分析的一般步骤,第五部分,三、根据所研究问题选择恰当的统计方法：不恰当的方法很难达到预期的研究效果；例如，采用旋转EOF分析方法，按照分离出旋转典型空间模态的高荷载区可以进行客观的区域划分，这是比较客观的划分区域的方法，而普通的EOF分析方法很难达到理想的效果。,气候统计分析的一般步骤,气候统计分析的一般步骤,第五部分,四、对统计结果作做出合理和正确的解释：在以上步骤都完成得情况下，需要对分析结果作合理和正确的解释；要求我们首先必须对统计方法有正确的理解；要求我们对所处理的气候问题有一定的把握。,本人联系方式,Email：,