氣象相似性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及缺失氣象要素數(shù)據(jù)的插補.pdf

1、氣象要素觀測是氣象業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)。地面氣象要素觀測是氣象要素觀測的重要組成部分，它是對地面一定空間范圍內(nèi)的氣象狀況及變化過程進行系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測量，為天氣預報、氣候分析、科學研究和氣象相關(guān)服務(wù)提供重要的依據(jù)。地面氣象要素觀測是每個氣象站的重要任務(wù)。隨著氣象觀測業(yè)務(wù)的發(fā)展，地面氣象觀測站點的數(shù)目已經(jīng)達到了一定的規(guī)模。每個獨立的氣象觀測站都可以觀測所在區(qū)域一定范圍內(nèi)的氣象要素特征，滿足該區(qū)域范圍內(nèi)對現(xiàn)場天氣信息的需要。但我們最終關(guān)心的

2、是如何把這些孤立的氣象觀測站點連接成一個氣象網(wǎng)絡(luò)，研究整個氣象網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計特征，用網(wǎng)絡(luò)的方法作為認識區(qū)域氣象系統(tǒng)的一個強有力工具。即本文研究的是如何構(gòu)建氣象網(wǎng)絡(luò)這一國內(nèi)外研究熱點問題。
　　由于氣象觀測儀器故障，計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸異常等各種原因，氣象要素數(shù)據(jù)缺測、漏測的現(xiàn)象均有不同程度的存在。而高質(zhì)量、完整的氣象要素數(shù)據(jù)是高有效性氣象分析的基礎(chǔ)。因此對缺失的氣象要素數(shù)據(jù)采用合理、有效的方式進行插補，使得氣象要素數(shù)據(jù)集完整、正確具有重要意

3、義。
　　針對以上問題，主要從以下兩個方面闡述本文工作:
　　(1)氣象相似性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
　　首先本文提出了基于相似性構(gòu)建氣象網(wǎng)絡(luò)的方法。構(gòu)建氣象相似性網(wǎng)絡(luò)的第一步是定義網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和連接。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是指氣象觀測站點上某個氣象要素的時間序列;網(wǎng)絡(luò)的連接就是兩個節(jié)點的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)。本文使用計算氣象觀測站點的氣象要素時間序列之間相似性的方法來定義網(wǎng)絡(luò)的連接。常見的相似性度量方法都是直接從整體上直接計算兩個數(shù)據(jù)對象的相似性。對于氣象

4、要素時間序列，本文提出了一種逐一判斷兩個時間序列同一時間上的氣象要素數(shù)據(jù)是否相似進而得出兩個時間序列整體相似性的方法，避免了氣象要素數(shù)據(jù)存在較大差異的時間對相似性度量影響放大的問題，同時還能處理含缺失數(shù)據(jù)的相似性計算。對于所有氣象觀測站點的某個氣象要素時間序列，計算兩兩之間的相似性后，得到氣象觀測站點該氣象要素的相似性鄰接矩陣。對于鄰接矩陣中的數(shù)值，選取一個閾值，把矩陣中數(shù)值大于閾值的兩點之間定義為有連接從而得到氣象要素相似性網(wǎng)絡(luò)的鄰接

5、矩陣。結(jié)合站點的地理位置，就可以用圖形化的形式把這個網(wǎng)絡(luò)表示出來。
　　(2)氣象要素數(shù)據(jù)的插補
　　本文對現(xiàn)有插補方法進行改進，使用相似性插補、兩次插補法和綜合了三種單一插補方法—空間插補、時間插補和相似性插補的氣象要素混合插補對缺失數(shù)據(jù)插補。要對缺失數(shù)據(jù)進行插補，都是通過已知的數(shù)據(jù)來估算缺失數(shù)據(jù)。地理學第一定律指出:地理空間位置上分布的事物都是有著相互聯(lián)系的，但距離較近的事物之間的相似性大于距離較遠的事物之間的相似性。地

6、理空間中的這種相似性是現(xiàn)有插補研究的基本假設(shè)前提?，F(xiàn)有插補方法大都是基于地理空間的這種相似性的空間插補。時間插補指的是在時間維度上通過分析氣象要素時間序列特征來得到氣象要素的插補值。相似性插補指的是計算氣象觀測站點氣象要素之間的相似性，在對缺失氣象要素數(shù)據(jù)插補時使用與待插補站點氣象要素相似站點的氣象要素數(shù)據(jù)進行插補。兩次插補法先用一種單一插補方法得到第一次插補值，再使用另一種單一插補方法減小第一次插補值的誤差。
　　使用兩組不同尺

7、度的氣象數(shù)據(jù)集:1）國內(nèi)160個氣象站點64年的月氣象要素數(shù)據(jù);2）成都市內(nèi)13個國家級氣象站點半年的小時氣象要素觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建氣象相似性網(wǎng)絡(luò)。分析所構(gòu)建的氣象相似性網(wǎng)絡(luò)，所有相似的站點在空間地理位置上都是比較近的，但并不是距離越近的站點越相似，網(wǎng)絡(luò)中有些距離很近的節(jié)點也沒有連接。這也反映了自然地理要素的空間復雜性。使用成都市13個氣象站點半年的小時氣象要素數(shù)據(jù)作為氣象要素插補研究的實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨機選取部分數(shù)據(jù)標記缺失，然后使用不同的插