气候时间序列变点的推断

本文研究时间序列的变点问题。所给出的统计方法可用来推断一个时间序列是否存在变点，存在几个变点以及变点在什么位置。这种统计推断方法可用于气候阶段的划分。     

新巴尔虎左旗2018年5月逐时相对湿度异常偏低检验

使用新巴尔虎左旗国家级气象站、以及3个临近且海拔高度相差不大的区域无人自动气象站的2018年5月1—31日逐时相对湿度观测资料,采用单测站数据时间序列跃变点检测、多测站数据差值时间序列超差点和跃变点检测的方法,对新巴尔虎左旗在5月出现的14个时次的异常低相对湿度观测值进行了分析。结果发现:单站序列跃变点、多站差值序列超差点和跃变点均存在1个共同的与报警时次相重合的统计检验断点,但经人工分析,确定该断点与冷空气活动造成的大风、降温和阵雨天气现象有关,并非仪器故障;而其余13个异常值的出现时次均不与统计检验断点相重合,从数值检验的角度判断其是由仪器故障造成的可能性较小。通过统计分析,修正了该台站的"观测设备可用性"业务考核指标的误报警,提高了综合气象观测运行监控业务系统(Atmospheric Observing System Operations and Monitoring,简称ASOM)在日常监测中的数据有效性审核能力和运行管理能力。     

一种新的气候跃变分析方法及其应用

在探讨目前气候跃变方法的基础上，针对其存在的缺陷，引入费希尔（Fisher）最优分割法，并与原方法的统计检验相结合，得到一种新的研究气候跃变的方法。运用该方法对西北地区东部的西安、宝鸡、汉中3地的旱涝等级序列进行气候跃变研究，可知西北地区东部旱涝气候跃变存在局地性和非局地性的特征。     

时间序列转折突变点检测的线性函数方法

根据转折突变的定义，在引入线性半截多项式的前提下，提出检测时间序列转折突变点的一种新方法。此方法不仅能找出时间序列中存在的多个转折突变点，而且使得检测到的突变点通过统计显著性检验。应用此方法对北半球1851—1990年年平均气温距平及其11年滑动平均序列，1901—1999年昆明5月降水及其11年滑动平均的降水序列分别进行了检测。发现北半球年平均气温距平在1879、1889、1939和1973年附近出现了年际转折突变，在1878、1888和1941年以及1972年出现了年代际尺度的转折突变；昆明5月雨量不存在年际转折突变点，但昆明5月雨量在1918、1966以及1978年附近出现了年代际尺度转折突变。     

新书架

正《大气科学中的统计方法》Daniel S.Wilks著朱玉祥等译著该书主要讲述统计学的内容并对概率论进行回顾,对经验分布与探索性资料分析、参数概率分布、频率统计推断、贝叶斯推断、统计预报、预报检验与时间序列等问题进行了详细的讲解,对矩阵代数与随机矩阵、多元正态(MVN)分布、主分量(EOF)分析、典型相关分析(CAA)、判别与分类以及聚类分析等内容进行细致阐述。该书第三版在前两版的基础上对章节进行了更新,基本上反映了大气科学中统计方法引用的最新进展,可以作为教材,也适用于需要内容全面但并不繁杂的参考书的研究者和业务人员。     

车贝雪夫多项式在天气预报中的应用

一、引言近年来,时间序列方法有了很大的发展,由于车贝雪夫多项式既有标准图形又可用于不规则格点,因此在气候分析和天气预报中得到了广泛的应用.人们一般以展开高度场或要素场求车贝雪夫系数进行气候分析,再经过其它统计方法做预报.本文直接用车贝雪夫多项式展开要素序列进行外延预报,取得了比较满意的效果.     

序列试验评估方法在人工防雹效果检验中的应用

由于天气过程的不可逆性,在人工防雹效果评估中自然降雹必须通过统计推断进行估算,而要使估算值具有统计意义,就必须对其进行可信度检验。该文采用序列试验评估方法,以1961—1979年自然降雹期站日数为历史资料,对毕节地区1992—2003年人工防雹作业效果进行了评估,并用t-检验法进行了统计检验,可看出毕节地区人工防雹作业取得了很好的效果,其效益为33.11%,置信水平达0.05。     

中国地面月气候资料质量控制方法的研究

由于气象台站信息变化以及观测规范的频繁变动, 使中国地面气象资料序列比较复杂。该文在分析中国地面历史气象资料中可能存在的非均一性和错误性、研究月气候资料序列存在的可能分布状态的基础上, 提出了中国地面月气候资料质量控制技术。通过分析认为, 中国地面月气候资料的质量控制, 应把下列3种方式结合起来, 进行综合质量检测:①把12个月的气候资料序列联合起来, 进行长时间连续性错误资料检测; ②把时间序列变换为接近正态分布的均一序列后, 进行时间域和空间域的奇异值检测; ③对检测出的连续性可疑资料和单个数据点的奇异值进行人工分析辨别。利用上述质量控制方法, 对1971—2000年中国地面700多基准基本站月统计气候资料进行了质量检查, 最后介绍了质量检查结果。     

应用经验正交函数作梅雨天气形势预告试验

本文叙述用经验正交函数序列作梅雨结束期副热带高压天气形动的统计预报试验。试验用1960年6月1—30日20时每天的500毫巴高度资料统计计算经验函数。采用预报时间间隔为一天的时间序列自迴归方法,可以预报出副高西进、北抬与维持的趋势。预报结果几乎不受预报区域边界的影响,说明存在时间平流作用。     

渭南市长期预报业务系统

系统是为地市气象台开发的长期预报业务软件 ,由数据库模块、气象要素的时间序列预报模块、关键农事季节预报模块及统计预报方法制作模块 4部分组成 ,将预报结果采用“多元决策加权法”进行集成 ,得出最终的预报结论 ,还可以用相关分析、点聚图等方法选取因子 ,建立统计预报模型     

乌鲁木齐逐月气温资料均一化检验和订正

选用1951-2008年乌鲁木齐市气象站逐月最高、最低及平均气温资料,用标准正态检验（SNHT）方法对逐月气温资料序列进行均一化检验,并选用差值法对因迁站引起的断点资料进行订正,检验结果显示,月气温序列断点所在的年份与年序列中检验出的断点基本相对应,即气温资料均在迁站距离较远的1975年产生了断点;各月的检验结果存在一定的差异,5-9月气温较高的月份资料受迁站的影响较大,而且产生了断点,并通过了0.05的显著性水平。用不同的权重比例对月序列进行订正,并选择累积距平方法对5-9月气温序列订正前后的变化趋势作了比较分析,发现订正前后趋势确有较显著的变化。     

A Method to Assess the Impact of High Tides, Storms and Storm Surges as Vital Elements in Climatic History the Case of Stormy Weather and Dikes in the Northern Part of Flanders, 1488 to 1609

In this paper a new method is introduced to assess the impact of storminess during the pre-instrumental period. The method is based on written sources. For this purpose Flemish documentary sources are taken as an example originating from a polder region between Ghent and Antwerp dating from the period 1488 to 1609. These documentary sources are continuous and homogeneous. The polders were protected by dikes, which had had to be maintained regularly. The annual upkeep was answered for in the annual dikes accounts in which nearly each storm that caused damage to the dikes was recorded. In order to assess the impact of storminess, these storms have been categorised, based on the following three principles: (a) the exact wording in the text, (b) the circumstances in which a storm appeared, (c) the consequences to which a storm has led, e.g. number of acres flooded. Accordingly eight separate categories are distinguished with storms ranging from one point to eight points. So in the first category the least important storms are given only one point. In category eight the storm surges appear, that have led to the flooding of large areas. These storms are given eight points. As the method enables us to assess the impact of storminess throughout the period, it shows only a small increase of storminess during the first quarter of the sixteenth century and a large increase in storminess during the second half of that century. Finally, looking at the storm pattern at Flushing between 1848 and 1990, there also appears to be a relative strong increase in storminess beginning around the 1950s. Whereas such a similarity in increase in storminess between these two quite different periods can hardly be coincidental, there must be some common cause. Could it be that periods of a relative strong increase of storminess precede periods of climatic change?     

Errors in estimating spherical harmonic coefficients from partially sampled GCM output

 This study describes a method of calculating the mean squared error (MSE) incurred when estimating the spherical harmonic coefficients of a climatological field that is sampled at a small network of points. The method can also be applied to the coefficients of any other set of orthonormal basis functions that are defined on the sphere. It, therefore, provides a formalism that can be applied in a variety of contexts, such as in climate change detection, where inferences are attempted about fingerprint coefficients that are imperfectly estimated from observational data. By incorporating the fingerprint as part of a set of basis functions, the methodology can be used to estimate the sampling error in the fingerprint coefficient. The MSE is expressed in terms of the spherical harmonics (or other orthonormal expansion) of the empirical orthogonal functions (EOFs), the locations of the points in the network and a set of weights that are applied at these points. The weights are optimised by minimising the expected MSE. The method is applied to a number of network configurations using monthly-mean screen temperature and 500 mb height simulated by the Canadian Climate Centre 2nd generation general circulation model in an ensemble of six 10-year simulations. In comparison with uniform weighting, optimal weighting can reduce the MSE by an order of magnitude or more for some spherical harmonic coefficients and some network configurations. Also, the MSEs vary seasonally for each network. In particular, the relative MSE of low order spherical harmonic coefficients is found to be larger in DJF than in JJA. We demonstrate how MSEs improve with increasing network density and identify graphically, the coefficients that can be estimated reliably with each network configuration. Received: 19 April 1996 / Accepted: 10 April 1997     

Application of Archimedean copulas in the analysis of the precipitation extremes: effects of precipitation changes

Due to the influence of changing environment and intensifying human activities, hydrometeorological changes are becoming common. This study derives a bivariate joint distribution of total precipitation and precipitation days with daily precipitation exceeding the 75th percentile and falling below the 25th percentile. Chang points in the precipitation series are detected with more than one statistical method. Results indicate that (1) for P75 and D75, Kendal’s τ does not change significantly even when the existence of change points is taken into account. The selection of a copula is greatly impacted by the existence of a change point; (2) for P25 and D25, τ varies much, while the precipitation variations have no evident effects on the selection of a copula. Therefore, a copula should be selected after the detection of change points to avoid possible bias in results or conclusions. This study is of some merits in terms of risk evaluation based on copula-based probability analysis with available change points.     

基于Γ分布的气压序列非均一性检验方法初探

通过对安徽省内23个代表台站1961—2006年平均气压序列均一性检验的研究,提出了一种基于Γ分布气压序列非均一性检验方法——Γ检验法。以桐城市数据为例,给出了检验和分析的具体过程,最后将该方法检验结果与常见的基于正态分布的SNHT法检验结果进行了对比分析,结果表明:该方法具有更广泛的使用范围和较高的准确性,可以检验大部分年平均气压的非均一性。检验结果表明:气压计高度的调整、台站迁址是安徽省内气压序列非均一性的主要原因。     

变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项（先验信息项）且合理选择正则化参数。数值试验结果表明：正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。     

集合平均所构成的动力系统及其特性研究

以Lorenz系统为例,推导出集合平均所定义的完整动力方程(均值方程),将初值的集合平均问题作为一个广义的动力系统问题来进行研究;对于双初值和多初值的均值方程,利用定性理论分析了其吸引中心的位置和个数,并使用数值试验进行了验证,结果表明平均值的吸引子的结构与原解的吸引子位置、数量和结构均有不同。对均值方程的特征矩阵分析表明,定点附近的稳定性与原方程相同,而且特征方程所对应的特征值也与原方程相同。均值方程对应的相流散度为负值且数值上与原系统相同,因此其在相空间中的体积收缩速度和原系统相同,最终趋向一个低纬曲面,均值方程的这个性质使得Lorenz系统的集合平均解趋于一个吸引子。均值方程可以保持原方程的耗散特性、吸引子特性,但稳定点位置和个数发生了变化,非定点处的Jacobian矩阵特征值与原系统也有不同。简而言之,一旦使用了集合平均方法,那么集合数值解并不是原系统的解,仅保持了原系统的部分特征,因而集合平均是否有效需要根据具体问题和其他外部限定条件才能确定。     

时空序列预测误差的敏感性试验分析

利用33模Lorenz系统得到的"理想"混沌时空序列,作为时空混沌序列"发生器".通过状态空间重构,建立"场时间序列"局域近似预测模型,对资料空间分辨率,资料的长度、噪音,以及模型的参数选取等因素进行敏感性试验分析,了解时空混沌序列预测中误差产生和增长的一些影响因素.得到以下初步结论:对于理想混沌时空序列(33模Lorenz系统)而言,与系统相适应的资料空间分辨率和较长的资料长度都将会提高预测精度;可预报时效与资料长度之间近似服从指数关系.另外,在建立预测模型时,适当的邻近点数目,以及采用二阶映射关系和迭代法都可以有效地改善预测精度.对于加入噪音的混沌时间序列,通过"场时间序列"的局域近似方法和4阶自回归方法的预测试验的对比表明,前者显示了更强的抗"干扰"能力.以上结论可以有分析地应用于短期气候预测中.     

黑龙江省水稻生长季积温计算方法

以水稻为例,根据温强系数研究成果和温度日变化事实,探索一种集农学和生物学意义的积温计算方法。研究表明:利用日极端温度,通过正弦分段模拟,并经订正方程可以模拟出与实际情况相似的日温度连续变化;利用方程分段模拟出低于20℃、高于30℃的水稻温强系数,拓展了水稻温强系数的研究成果,获得了水稻三基点温度范畴的温强系数;温强系数实质是对水稻温度三基点学说的具体度量;通过时温度当量和日温度当量,实现了对水稻整个生长时期的任意时段的热量条件进行无缝量化。以哈尔滨市为例,分析了1961-2015年近55年的水稻当量积温时间特征。因计算积温时考虑了温度三基点及温度日变化的事实,提高了当量积温计算的精确度,能够突出时间和空间上的热量差异。     

基于空间梯度信息的质量控制方法在红外高光谱AIRS资料同化中的应用研究

本文利用中尺度非静力WRF(Weather Research Forecast, Version 3.4)模式, 针对1013号“鲇鱼”台风个例, 通过对红外高光谱AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料经过基于空间梯度信息的质量控制之后同化进入模式, 来评估新的质量控制方法对同化效果的影响以及对台风数值模拟的改善情况。研究结果发现, 如果仅仅基于WRFDA(WRF Data Assimilation system, Version 3.4)模式自带的质量控制系统, 将会有部分梯度距平值明显较大超过阈值的资料被同化进入模式, 而这些可能受到“污染”且误差较大的资料同化进入模式必将会导致同化结果有较大误差, 影响分析结果的质量。而对AIRS资料经过基于空间梯度信息质量控制之后再同化进入模式, 确实可将梯度距平值大于阈值的“坏点”剔除掉, 从而使初始场的描述更加准确, 台风路径的模拟精度在一定程度上得到提高。综上可知, 基于空间梯度信息的质量控制方法整体上对改善同化效果有较好的正效应, 对台风的数值模拟也起到一定的促进作用。