[基础科学]第一章 绪论

气候统计诊断：用统计手段进行气候诊断。
气候统计诊断研究的内容



应用统计方法了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，以此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 异性进行统计诊断。


注意：
模态方差的大小只反映模态对整个分析时段和 整个分析区域贡献的大小，但对某些时段、某 些区域来说，方差较小模态的贡献很大；因而 仅以模态方差贡献的大小来判定模态的重要性 是不完全的。

气候变量场间耦合特征诊断


两个变量场的相关问题： 相关分析 BP典型相关分析、奇异 值分解
气候统计诊断的一般步骤

气候变化时空结构诊断

EOF（经验正交函数分解、主分量分 析） EEOF（扩展经验正交函数： 揭示变量场移动性分布结构）、 REOF（旋转经验正交函数：表现空 间的相关性分布结构）、CEOF（复 经验正交函数：展示空间行波结构）

EOF：时空数据集 时间*空间 设有p个空间点，共有n个样本。则场中任一空 间点i和任一时间点j的观测值可看成由p个空间 函数vik和时间函数ykj (k = 1, 2, …, p)的线性组 合，表示成
y12 y1n y 22 y 2 n y p 2 y pn


分别称为空间函数矩阵和时间函数矩阵。 某一模态空间场所对应时间分量曲线反映这 个场的各年变化。 我们可以用头几个方差较大的时间函数与其 对应的空间函数乘积作为原气象要素场的估 计。这样可减少数据的复杂度，也可降维。

气候统计预测的一般概念：


利用历史与现时的观测值，建立统计模型， 对未来时刻的状态值进行估计，即统计预 测。 利用统计模型对气候系统的未来变化状态 作出估计，即气候统计预测。
气候统计预测的基本假设



气候系统的未来状态类似于过去和现在。 体现在利用统计模型对未来状态进行预 测时，是假设模型结构在预测期间内保 持不变、气候系统变化及与各变量之间 的相关关系在预测期间不变。 两个基本条件：气候变化的成因和物理 机制至少在预测期间与观测时期一致； 气候系统在预测期间保持稳定。



收集资料：准确、精确、均一性、代表性和比 较性 资料预处理：距平、标准化 选择诊断方法 科学综合和诊断：显著性检验，运用深厚的气 候学知识，对计算结果进行科学的综合和细致 的分析，用专业气候知识对计算结果进行判断， 识别真伪，概括出气候系统确实存在的事实及 彼此间的联系。
§1.2 气候统计预测概述
定量预测

根据足够的历史数据资料，运用科学的方法 建立数学模型，对预测对象未来的变化数量 特征作出预测。

时间序列模型 动态系统模型 多元回归模型 变量场预测的方法 神经网络
历史演变法

揭示了气候变量序列的五个特性，即持续性、相似 性、周期性、最大最小可能性和转折点。 持续性：气候变量的历史变化中升降趋势的持久程 度； 相似性：气候变化在某一时期与另一时期变化形式 相似； 周期性：气候变化趋势经一定时间间隔后重复出现； 最大最小可能性：气候变量历史变化的数量在一定 时间内有其适当范围，给出历史变化的概率性； 转折点：气候变量变化中某一时期明显的特征，在 另一时期有所改变，并可能出现新的特征，发生质 的突变。

气候统计预测概述



§1.1 气候统计诊断概述

气候统计诊断的含义：

诊断（Diagnostics）：源于医学，医生通过对
病人的了解和检查，从而判断病人所患何种疾病 及所患疾病的原因、部位、性质及其病情程度。

气候诊断：用某些手段根据气候观测资料对气
候的变化和异常程度及原因进行判断。该名称出 现较晚，20世纪70年代中期才开始有人使用。从 1976年开始每年的秋季，美国召开一次对当前气 候异常进行研讨的工作会，并正式命名为气候诊 断年会。
现代气候统计诊断技术

气候变化趋势和突变检测



拟合：滑动平均、累积距平、线性倾向 估计、样条函数。采用上述方法对气候 序列的分段曲线拟合，以便更好地反映 其真实的变化趋势。 对气候突变趋势进行显著性检验 气候均值、变率以及事件发生与否的检 验

气候振荡分析


周期图、方差分析、谐波分解、功率 谱分析 奇异谱、小波变换 分辨率更高、适用性更强，对于揭示 气候序列不同时间尺度的振荡特性起 很大作用。
气候统计预测的基本要素




预测对象：欲预测的气候要素 预测依据：在气候系统内部或影响其变化要 素相互关系的诊断基础上提供预测依据。 预测技术：根据预测对象、预测因子的特点， 选择合适的统计预测模型。 预测结果
预测技术

定性预测：主要依赖气候专家的主观认识能 力，综合地分析过去、现在和将来可能出现 的各种因素之间的相互影响，寻找气候要素 的发展规律，对未来的发展趋势和性质作出 推断。
气象统计方法
中山大学大气科学系 2010、09 乔云亭 qiaoyt@
教材：

现代气候统计诊断与预测技术(第2版) 魏凤英 编著 气象出版社 2009年9月

第一章 绪论


气候统计诊断概述


气候统计诊断的含义 气候统计诊断研究的内容 现代气候统计诊断技术 气候统计诊断的一般步骤 气候统计预测的一般概念 气候统计预测的基本假设 气候统计预测的基本要素 现代气候统计预测技术 气候统计预测的基本步骤
分解式
xij vik y kj vi1 y1 j vi 2 y 2 j vip y pj
i 1

p
写成矩阵形式 X VY 其中X为p×n矩阵，阵中元素满足
1 n xij 0 i 1, 2,, p n j 1

v11 v12 v1 p y11 其中 y v v v 21 22 2p 21 V Y y p1 v p1 v p 2 v pp