一个用于确定北美西北部的两个地区的逐日极端气象资料的最近气候变化的统计程序外文翻译资料

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一个用于确定北美西北部的两个地区的逐日极端气象资料的最近气候变化的统计程序

Joseph M.Caprio.Harvey A.Quamme.

Kelly T.Redmond

摘要：在确定两个地区日最低温度极值在近期18年和前期36年之间的气候变化时，我们使用了迭代卡方法。这个方法确定了北美西北部的两个地区：美国波兹曼、蒙大纳州和冷溪镇、还有加拿大的不列颠哥伦比亚省，这些地区极端气象要素在前期和近期的差异是最明显的，同时本论文给出了周平均差异重要性的估计。由于气候变化导致最近每年的数据（按周划分）受到极端天气影响，我们计算出最近每年受影响数据的平均百分数，还有每个持续的重要阶段中极端天气天数的频率变化百分数。两个地区近期都有很多星期中出现了很多天的最低温度的极端高温，同时，在很少的几天中，出现了最低温度的极端低温。每周的百分数变化表明：波兹曼和冷溪镇的最低温度的极端高温事件概率正在以大约每10年呈10%的速度增长，同时最低温度的极端低温在相应地下降。两个地区气候的主要变化是很相似的，最大增暖出现在冬末春初和七月下旬到八月。

1 引言

通过对历史气象数据的大量分析，我们已经确定了最近的气候变化。那些研究通常分析月平均或年平均的气象数据来检测研究阶段的温度和（或）降水的变化。尽管每月的分辨率足够表明一般的季节模型，但是这种方法可能错过那些间断或中断点与月边界不一致的“自然”季节。尽管每月的异常是重要的，但还是那些每天的极端天气往往对植物、动物和人类的健康活动产生更大的影响。

在文献中可以找到对极端气温和（或）降水的气候变化分析。DeGaetano（1996）曾经做过这样的研究，他对美国东南部的22个地区的选定天数的日最高和最低温度的极端高温和极端低温趋势做了分析。DeGaetano分析了每日最高温度和最低温度的三个极端高温和三个极端低温。他使用蒙特卡罗方法评估适用于T检验（用于评估标准化时间序列）的数据的统计学意义。这个方法与DeGaetano的方法不同之处在于这个统计方法一年中的每一周，这一年中相比于前几年特别是极端日温度与最近几年明显不同。

Caprio（1966）首先描述了迭代卡方法的基本概念和程序。这个技术随后被用于确定严重影响蒙大拿州谷物和牧场生产（Caprio and Williams1973）和有助于冬小麦防冻害的环境（Caprio and Snyder1984；Kalmaetal.1992）这两个天气的阶段。统计程序同样适用于确定日常天气事件和（加拿大）不列颠哥伦比亚省的水果产品的关系（Caprio and Quamme 1999,2002,2006）还有日常天气事件和亚利桑那州树木年轮生长的关系（Caprioetal.2003）。在葡萄研究（Caprio and Quamme2002）中使用迭代卡方统计方法确定不列颠哥伦比亚省的那根地区在过去56年间日最高和最低温度和降水量的变化（Caprio and Quamme2002）。这些研究表明迭代卡方法对于确定临界值和制定重要措施是很有帮助的。这里我们进一步把气候变化分析中的迭代卡方法，通过对两个站点的最低温度日极值分析中的应用论证延伸到极端天气事件的百分比变化中。

24小时内的最低温度记录被称为日最低温度。相对于某一天的正常（或平均）日最低温度可以非常高或非常低。这项研究同时考虑了日最低温度的极端高温和极端低温出现的情况。这个分析程序确定了波兹曼市、蒙大拿州和冷溪镇、不列颠哥伦比亚省在前期36年和近期18年内，日最低温度的极端高温和极端低温的出现次数的差异在每周中的意义。这个研究同时确定了由于日最低温度的极端高温或极端低温，一年中每周内对气候变化做出贡献的每一天的平均百分比或比例。

在气候变化已经发生的一年中，对于很多活动来说，知道日温度和（或）日降水量中在哪个时段变得更加频繁是有重要意义的。我们对于这项研究中特别感兴趣的是结果，即使这两个地区相距800公里，并且位于大陆分水岭的对面，但是这两个地区之间的气候变化之间有很密切的联系。

2 方法

这个研究的数据是波兹曼，蒙大拿(45°40′N,111°03′W,海拔1480m)和冷溪镇，英国哥伦比亚(50°14′N, 119°12′W,海拔482m)的气候站的资料。对波兹曼（1947-2000）和冷溪镇（1938-1991）54年的日最低温度进行分析。冷溪镇的气象站在这项研究的时间内保持在相同位置。气象站坐落在农村牧场对于气候变化研究是很理想的位置。波兹曼站的54年气象观测除了5年都在蒙大拿州立大学校园里，这5年的全年或部分时间在校园其他两个站点观测。冷溪镇观测站和理论上的波兹曼观测站都提供了一直是处于露天和非城市环境中的连续一致的日最低温度记录，还包括长时间段站点的天气现象观测。在这项研究中对冷溪镇站点的计算机分析已经在之前的三项研究(Caprio and Quamme 1999,2002,2006)中使用，确定了天气对英国哥伦比亚那根山谷的水果产品的影响同时评估了气候变化的潜在影响。选取波兹曼54年（1947-2000）的时间段研究是因为它包含了最近阶段可供分析的数据，同时与冷溪镇研究中的年数相同。

在这项研究中迭代卡方法用于确定波兹曼在近期18年间（1983-2000）和前期36年间（1947-1982）之间的气候差异。对于冷溪镇的分析是对比近期18年间（1974-1991）和前期36年间（1938-1973）之间气候的不同。

这个分析确定了最低温度的极端高温和极端低温从前期到近期的气候变化。这项研究中使用的迭代卡方统计方法和应用于若干文献（Caprio and Quamme1999，2002，2006；Caprioetal.2003）中的是一样的。这个研究确定了近期18年到前期36年之间的日最低温度极值的变化，但是那些文献在处理水果产品和树木年轮生长时使用气候较好的年份和气候不好的年份分别与气候正常的年份对比。

分析的第一步将两个阶段的日最低温度分成两个从低到高的数据集，也就是前期和近期两个阶段。使用英制单位记录的温度被分解成连续2华氏度的类别，并且记录放置在每个数据集下每个级别中变量的频率。每隔3周，对这几天每个级别的所有数按序由最高到最低（高到低扫描）和由最低到最高（低到高扫描）使用卡方检验，每个类别都产生低-高和高-低两个卡方检验值。对于最近几年的每个气候类型，在每三周周期出现的总数是378（21天*18年）。前期几年中极端事件出现的所有天数总和是756（21天*36年）。卡方检验适用于对每个类别所有天数累积起来，按序从高到低扫描或从低到高扫描，从而产生每个类别两种扫描的卡方检验值。第一个从高到低扫描的卡方检验值是第一个类别（最高）的数据，第一个类别数据的第二个加上第二个类别（下一个最高）的数据，等等。从低到高扫描是从第一个类别（最低）开始。

这项分析中使用了三周的滑动窗口，随着每个阶段连续的增加新的一周时，就会把第一周作为三周阶段内优先的时间框架。因此卡方检验确定了各种级别中的两个数据集之间，天数的频率差异的意义。结果转换成公制单位的最近的摄氏度。

如果近期18年的日最低温度统计偏离前期36年预期的一半，那么两个扫描产生的每个卡方值都会先增加然后下降。在卡方值达到最大值（或改变方向）点时的温度被称为“基数”温度（CT）。

最低温度从最低到更高的迭代扫描中产生的最大卡方值，确定了前期和近期之间气候差异最显著的极端低温（等于和小于），最大卡方值处确定的临界阈值温度决定这个温度由，此后称作基数温度（CT）。最低温度从最高到更低的迭代扫描中，最大的卡方值决定了哪个极端高温（等于和大于）是前期和近期阶段之间的气候差异最显著的。当实际值是6.63时卡方值为0.01有统计学上的意义。在此项研究中当卡方值等于或大于7（从实际值6.63四舍五入）时认为温度是有意义的。当卡方检验值大于等于显著水平时表明样本发生的可能性低于0.01。假设在前期阶段中气候是相同的，正常年份被否定。卡方值越大，前期阶段中极端天数和近期阶段极端天数的真实气候差异可能性就越大。当按年划分时间时，卡方值的高和低就表明那些阶段在什么时间什么标准存在显著差异。

当计数很小的时候（Snedecor1946）卡方检验来估计可能性水平就可能不是严格适用了，并且卡方值在扫描开始时往往不显著，随着扫描的进行会被更显著的卡方值代替。

迭代卡方法确定了，近期的极端气候因素发生天数是否与前期发生天数所预计的有着显著差异。如果与极端气候因素预计的没有什么差异，那么近期18年期间出现极端气候因素的天数，就是前期36年间发生天数的一半。如果事件发生的次数与1:2的比例发生偏离，这可能是随机的而不表明气候差异。然而，如果偏离很大，近期和前期之间的极端事件天数就可能会出现显著差异。

通过以下两个例子，由高到低的对最近几年和以前几年最低温度极值事件天数进行扫描，来说明卡方值是如何计算的。数据是表1。

在下面的等式中，A和E分别代表事件的真实值和预期值。字母r和p分别代表最近几年和以前几年。

表1中第一个3周

表1中第二个3周

在第一个样本中日最低温度的极端高温出现天数总计是110 143=253，第二个样本是102 297=399（表1）。第一个样本中的253次预期是1:2的比例，或是最近几年84次和前期几年169次的比例。在第一个样本中最近几年发生的天数超过预计天数84，结果产生值为12（超出）的大的显著卡方值。

第二个样本中，最近几年102次的发生次数比预计的133少，结果产生值为11（不足）的大的显著卡方值。两个标本中的基本温度分别是ge;minus;4◦C (25◦F)过量和ge;minus;6◦C (21◦F)不足。

扫描每个重叠的三周区间内计算机的输出值，包括卡方检验值最大值、日天气事件的累积值和与之相联系的主要值。每三周的卡方值滑动窗口分配到中间周。因此，为了将重要性归于中间周，窗口内全部三周阶段必须检验重要性。扫描中迭代每三周窗口的卡方值在绘制时会形成一个曲线，并且计算机会挑选出最大的卡方值。

表1 计数，基数温度，中心日期为1月10号、12月19号3周周期、最低温度极端高温从高到低扫描生成的前期和近期的卡方值

图1 a波兹曼：蒙塔纳州波兹曼市近期18年（1982-2000）与前期36年（1947-1981）相比最低温度极端高温事件发生天数差异的意义。基数值（卡方值最大处的气象要素值）在图中标明。卡方值=7（用虚线表示）是有意义的临界值(pge;0.01,1df)。b波兹曼：由于气候变化，最低温度极端高温事件在最近一年的每一天（按周划分）发生的平均百分比。

图2 a冷溪镇：英国哥伦比亚冷溪镇近期18年（1982-2000）与前期36年（1947-1981）相比最低温度极端高温事件发生天数差异的意义。基数值（卡方值最大处的气象要素值）在图中标明。卡方值=7（用虚线表示）是有意义的临界值(pge;0.01,1df)。b冷溪镇：由于气候变化，最低温度极端高温事件在最近一年的每一天（按周划分）发生的平均百分比。

图3 a波兹曼：蒙塔纳州波兹曼市近期18年（1982-2000）与前期36年（1947-1981）相比最低温度极端低温事件发生天数差异的意义。基数值（卡方值最大处的气象要素值）在图中标明。卡方值=7（用虚线表示）是有意义的临界值(ple;0.01,1df)。b波兹曼：由于气候变化，最低温度极端低温事件在最近一年的每一天（按周划分）发生的平均百分比。

图4 a冷溪镇：英国哥伦比亚冷溪镇近期18年（1982-2000）与前期36年（1947-1981）相比最低温度极端低温事件发生天数差异的意义。基数值（卡方值最大处的气象要素值）在图中标明。卡方值=7（用虚线表示）是有意义的临界值(ple;0.01,1df)。B冷溪镇：由于气候变化，最低温度极端低温事件在最近一年的每一天（按周划分）发生的平均百分比。

波兹曼和冷溪镇的最低温度的极端最低（低-高扫描）和极端最高（高-低扫描）的计算采用对每周值进行3周的运行平均值。在迭代卡方法中把运行平均值当做平滑程序，这个分析和以前的研究中(Caprio and Quamme1999,2002,2006;Caprioetal.2003)发现，这样会产生更合理的周到周之间的变化模式。由于年际天气中大的变化，应该考虑这种平滑程序的影响。每周卡方值的3周的运行平均值代表样本超过5周的加权1-2-3-2-1，然后绘制成剖面图1、2、3和4。在每个重要阶段里的最初的最有统计意义周的基数值，会被添加到a部分表1,2,3和4的临近适当的峰值中。通常只有当统计

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31377]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word