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

1、氣象要素觀測(cè)是氣象業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)。地面氣象要素觀測(cè)是氣象要素觀測(cè)的重要組成部分，它是對(duì)地面一定空間范圍內(nèi)的氣象狀況及變化過程進(jìn)行系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測(cè)量，為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)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(cè)是每個(gè)氣象站的重要任務(wù)。隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展，地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)目已經(jīng)達(dá)到了一定的規(guī)模。每個(gè)獨(dú)立的氣象觀測(cè)站都可以觀測(cè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)站點(diǎn)連接成一個(gè)氣象網(wǎng)絡(luò)，研究整個(gè)氣象網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特征，用網(wǎng)絡(luò)的方法作為認(rèn)識(shí)區(qū)域氣象系統(tǒng)的一個(gè)強(qiáng)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(diǎn)問題。
　　由于氣象觀測(cè)儀器故障，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸異常等各種原因，氣象要素?cái)?shù)據(jù)缺測(cè)、漏測(cè)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?cái)?shù)據(jù)是高有效性氣象分析的基礎(chǔ)。因此對(duì)缺失的氣象要素?cái)?shù)據(jù)采用合理、有效的方式進(jìn)行插補(bǔ)，使得氣象要素?cái)?shù)據(jù)集完整、正確具有重要意

3、義。
　　針對(duì)以上問題，主要從以下兩個(gè)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(diǎn)和連接。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是指氣象觀測(cè)站點(diǎn)上某個(gè)氣象要素的時(shí)間序列;網(wǎng)絡(luò)的連接就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。本文使用計(jì)算氣象觀測(cè)站點(diǎn)的氣象要素時(shí)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(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的相似性。對(duì)于氣象

4、要素時(shí)間序列，本文提出了一種逐一判斷兩個(gè)時(shí)間序列同一時(shí)間上的氣象要素?cái)?shù)據(jù)是否相似進(jìn)而得出兩個(gè)時(shí)間序列整體相似性的方法，避免了氣象要素?cái)?shù)據(jù)存在較大差異的時(shí)間對(duì)相似性度量影響放大的問題，同時(shí)還能處理含缺失數(shù)據(jù)的相似性計(jì)算。對(duì)于所有氣象觀測(cè)站點(diǎn)的某個(gè)氣象要素時(shí)間序列，計(jì)算兩兩之間的相似性后，得到氣象觀測(cè)站點(diǎn)該氣象要素的相似性鄰接矩陣。對(duì)于鄰接矩陣中的數(shù)值，選取一個(gè)閾值，把矩陣中數(shù)值大于閾值的兩點(diǎn)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(diǎn)的地理位置，就可以用圖形化的形式把這個(gè)網(wǎng)絡(luò)表示出來。
　　(2)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的插補(bǔ)
　　本文對(duì)現(xiàn)有插補(bǔ)方法進(jìn)行改進(jìn)，使用相似性插補(bǔ)、兩次插補(bǔ)法和綜合了三種單一插補(bǔ)方法—空間插補(bǔ)、時(shí)間插補(bǔ)和相似性插補(bǔ)的氣象要素混合插補(bǔ)對(duì)缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)。要對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，都是通過已知的數(shù)據(jù)來估算缺失數(shù)據(jù)。地理學(xué)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(yuǎn)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(bǔ)研究的基本假設(shè)前提。現(xiàn)有插補(bǔ)方法大都是基于地理空間的這種相似性的空間插補(bǔ)。時(shí)間插補(bǔ)指的是在時(shí)間維度上通過分析氣象要素時(shí)間序列特征來得到氣象要素的插補(bǔ)值。相似性插補(bǔ)指的是計(jì)算氣象觀測(cè)站點(diǎn)氣象要素之間的相似性，在對(duì)缺失氣象要素?cái)?shù)據(jù)插補(bǔ)時(shí)使用與待插補(bǔ)站點(diǎn)氣象要素相似站點(diǎn)的氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。兩次插補(bǔ)法先用一種單一插補(bǔ)方法得到第一次插補(bǔ)值，再使用另一種單一插補(bǔ)方法減小第一次插補(bǔ)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(gè)氣象站點(diǎn)64年的月氣象要素?cái)?shù)據(jù);2）成都市內(nèi)13個(gè)國家級(jí)氣象站點(diǎn)半年的小時(shí)氣象要素觀測(cè)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(diǎn)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(diǎn)越相似，網(wǎng)絡(luò)中有些距離很近的節(jié)點(diǎn)也沒有連接。這也反映了自然地理要素的空間復(fù)雜性。使用成都市13個(gè)氣象站點(diǎn)半年的小時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)作為氣象要素插補(bǔ)研究的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨機(jī)選取部分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)記缺失，然后使用不同的插