近42年北京氣溫數(shù)據(jù)的處理和分析

安徽理工大學計算機科學與工程學院 王三好

本文利用全球站點無線電高空探測資料數(shù)據(jù)集(the Integrated Global Radiosonde Archive，簡稱IGAR)獲取了北京市近42年來0-10km的溫度數(shù)據(jù)資料。并通過對所獲取的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，在保證數(shù)據(jù)的完整性和準確性的前提下，對北京市的年平均溫度數(shù)據(jù)采用線性擬合和Mann-Kendall突變檢驗等方法，進行溫度分析，發(fā)現(xiàn)北京市的年平均溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，且在2002年氣溫發(fā)生突增現(xiàn)象。

近年來，隨著信息社會的發(fā)展，高空大氣數(shù)據(jù)的獲取手段越來越多，數(shù)據(jù)量也越來越大；而且高空大氣數(shù)據(jù)參數(shù)多樣，且數(shù)據(jù)當中易參雜一些錯誤或者未收集的信息，因此大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方法在氣象數(shù)據(jù)的分析中得到了廣泛的應(yīng)用（王星.大數(shù)據(jù)分析:方法與應(yīng)用[M].清華大學出版社,2013；曾忠祿.大數(shù)據(jù)分析:方向、方法與工具[J].情報理論與實踐,2017,40(1):1-5；樊重俊,劉臣,霍良安.大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用[M].立信會計出版社,2016.）；而進行數(shù)據(jù)分析的前提首先要保證使用數(shù)據(jù)的準確性和完整性，常見的數(shù)據(jù)處理方法有數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)歸約等（王堯.基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方法研究分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(6):98-98.）。本文在以IGAR（陳哲,高杰,楊旭.IGRA全球站點探空數(shù)據(jù)集及其資料質(zhì)量狀況分析[J].氣象與環(huán)境學報,2013(5):106-111.）數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，并使用大數(shù)據(jù)預(yù)處理方式，獲取了北京近42年來0-10km區(qū)域內(nèi)高空的氣溫數(shù)據(jù)，然后又對北京市的年平均氣溫進行了細致分析，希望可以幫助人們了解北京市的氣溫變化。

1 資料和方法

1.1 研究資料

本文利用IGAR高空探測資料獲取了北京從1956-2016年的氣溫數(shù)據(jù)，同時根據(jù)IGAR數(shù)據(jù)集的特點，將北京數(shù)據(jù)集當中的1956-1974年間的不完整和錯誤的數(shù)據(jù)進行了刪除，并對1956-2016年的數(shù)據(jù)進行再分析，最后獲取北京1975-2016年0時和12時的氣溫數(shù)據(jù)進行分析，并使用Excel、OrgrinPro 2017對數(shù)據(jù)進行線性分析，同時使用matlab對數(shù)據(jù)進行降噪處理，使用Mann-Kendall突變分析法對北京氣溫進行分析研究。

1.2 研究方法

本文使用線性趨向分析和Mann-Kendall突變檢驗分析（簡稱M-K法）、等方法對北京市的溫度數(shù)據(jù)進行分析。其中M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方式，對變量是否具備正態(tài)分布并沒有具體要求，多用于氣候要素變化趨勢的顯著性檢驗及突變檢測，其公式如下：

式中采用：Zc—秩相關(guān)系數(shù)；τ—檢驗統(tǒng)計變量；P—數(shù)據(jù)序列所有對偶觀測值（Rj, Ri, j ＞ i）中Rj＞ Ri出現(xiàn)的次數(shù)；n—序列長度；—方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均溫度的變化趨勢

圖1所示是1975-2016年北京市年均溫度的變化,從圖中可以看出，近42年來北京市年平均溫度-9.06℃；由線性趨勢分析可知，北京市從1975年以來的溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且線性擬合的相關(guān)程度值為0.734，具有高度相關(guān)性，再根據(jù)十年際溫度變化特征（如表1所示）結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，從1975以來至今，10年際的平均溫度變化模式總體呈直線上升，最高的10年平均溫度分布區(qū)間在2005-2016年之間（-7.62℃），最低10年平均溫度分布區(qū)間在1985-1994年之間（-10.33℃）；且由圖可知年平均最大值是在2007年溫度為-6.45℃，而年平均最小值是在1985年溫度為-11.55℃。

圖1 1975-2016年北京市年均溫度的變化

表1 北京市每十年的平均溫度變化

圖2 北京市年平均溫度變化的Mann-Kendall突變分析圖

2.2 年平均溫度的Mann-Kendall突變檢驗分析

圖2所示是北京市年平均溫度變化的Mann-Kendall突變分析圖，本文利用matlab對氣溫進行降噪處理，然后使用Mann-Kendall突變分析對降噪的氣溫數(shù)據(jù)進行突變檢驗，從圖中可以看出，北京市的年平均溫度在2002年時UF和UB相交，且在從1991-2016年北京市的平均溫度總體表現(xiàn)緩慢上升，因此其在2002年為氣溫突增點。

3 結(jié)論

本文通過使用數(shù)據(jù)填充、篩選等數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，在保證數(shù)據(jù)的完整性和準確性的前提下，獲取了北京市1975-2016年的年平均氣溫數(shù)據(jù)，同時通過對數(shù)據(jù)進行均一化和降噪處理，使用線性擬合和M-K突變檢驗等方法對獲取的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)北京市的年平均溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，且年平均氣溫在2002年時溫度出現(xiàn)了突增。