一种基于双重距离的气候空间分区方法

摘要

本发明公开了一种基于双重距离的气候空间分区方法，包括如下步骤：对气候空间进行格点划分；确定每个格点的坐标和气象参数的特征向量；计算两个格点之间的位置距离R和参数特征向量的特征距离Ra；计算气候空间之内的任意两个格点之间的空间距离Rs；对计算所得的所有空间距离Rs进行聚类分析，获得聚类中心和气候空间的分区结果。本发明的基于双重距离的气候空间分区方法，具有将气象参数数据的空间位置与参数特征二者相结合、解决现有气候分区方法中的属性单一和应用局限性的问题、完整描述我国气候区域变化特征和空间差异性等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及气象学技术领域，特别是涉及一种基于双重距离的气候空间分区方法。

背景技术

气候分区，是指根据气候分类的原则和生产建设的需要，按气候特征的相似和差异 程度，以一定的指标，对一定区域范围所进行的气候区域划分。1929年，竺可桢根据 少量的气候资料提出了中国的第一个气候区划，将全国分为华南、华中、华北、东北、 云贵高原、草原、西藏和蒙新共八个气候区。1949年，卢鋈又提出四条界线，在此基 础上他进一步将全国分成十大气候区。1959年，中国科学院自然区划工作委员会公布 了中国气候区划初稿，他们以日平均气温不低于10℃稳定期的积温和最冷月气温或极 端最低气温多年平均值为热量指标，以干燥度(见气候指数)为水分指标。根据热量指标， 他们把全国分划成六个气候带和一个高原气候区：赤道带、热带、亚热带、暖温带、温 带。、寒温带和高原气候区(青藏高原)。同时，结合中国地形特点和历史行政区划传 统，又将全国分为8个一级气候地区和32个二级气候省。

大气温湿压等参数是气候变化、大气光学及辐射传输特性研究的基本参数，也是气 候诊断和大气探测的重要内容。我国幅员辽阔，地势高低不同，地形类型及山脉走向多样，造成我国气候分布存在显著的空间差异性。通过单一地面站点测量获得的参数能代 表多大范围内的大气状况，需要研究近地面大气参数的空间变化及其分布特征，建立大 气参数空间分布均质区划分方法，为区域性气候变化及大气参数地面测量站点布控方案 研究奠定基础。

气候分区主要应用以下三种聚类方法：划分聚类、层次聚类和统计检验聚类分析法。 聚类算法以相似性为基础，将物理或抽象对象的集合分成由类似的对象组成的多个类或 簇的过程，作为研究分类问题的一种统计分析方法，已经广泛应用于气候气象研究领域。

目前广泛使用的气候分区方法，均只单一考虑了我国气候的属性特征，而气象数据 本质上具有地理位置和参数特征的双重含义，利用基于空间位置或非空间参数特征的相 似性的传统聚类方法，会分裂空间要素固有的二重特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双重距离的气候空间分区方法，以解决 现有气候分区方法中的属性单一和应用局限性的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。

一种基于双重距离的气候空间分区方法，其特点是，包括如下步骤：

步骤1：对气候空间进行格点划分；

步骤2：确定每个格点的坐标和每个格点的气象参数的特征向量；

步骤3：计算两个格点之间的位置距离R；

步骤4：计算两个格点的参数特征向量的特征距离R

步骤5：根据格点的坐标和气象参数，获得两个格点的空间距离R

步骤6：根据步骤5的计算公式，计算气候空间之内的任意两个格点之间的空间距离R

步骤7：对计算所得的所有空间距离R

所述步骤1中，格点划分是依据经纬度等距进行划分的。

所述步骤2中，格点的总数为n，n个格点中第i个格点的坐标为(x

步骤3中，所述两个格点之间的位置距离R的计算公式为：

所述公式(1)中，x

步骤4中，所述特征距离R

所述公式(2)中，T

步骤5中，空间距离R

所述公式(3)中，x

所述的基于双重距离的气候空间分区方法还包括如下步骤8：对已划分的子区进行 验证，定量计算区域划分的偏差值并作为分区的合理性检测依据，通过迭代寻优过程获得最佳的区域划分结果。

本发明的有益效果是：

本发明的一种基于双重距离的气候空间分区方法，对气候空间进行格点划分；确定 每个格点的坐标和气象参数的特征向量；计算两个格点之间的位置距离R和参数特征向量的特征距离R

本发明的一种基于双重距离的气候空间分区方法，以双重距离为基础，统一空间聚 类分析系统和空间距离测度，将气象参数数据的空间位置与参数特征二者相结合，以完整描述我国气候区域变化特征和空间差异性，从而实现区域大气参数空间分布均质区的有效划分。

本发明的基于双重距离的气候空间分区方法，具有将气象参数数据的空间位置与参 数特征二者相结合、解决现有气候分区方法中的属性单一和应用局限性的问题、完整描述我国气候区域变化特征和空间差异性等优点。

附图说明

图1是本发明的基于双重距离的气候空间分区方法的流程图。

图2是采用本发明的方法对我国陆地地区的分区的示意图。

图3是本发明的方法的中国区域82个站点的位置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更 易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-2中，一种基于双重距离的气候空间分区方法，包括如下步骤：

步骤1：对气候空间进行格点划分；

步骤2：确定每个格点的坐标和每个格点的气象参数的特征向量；

步骤3：计算两个格点之间的位置距离R；

步骤4：计算两个格点的参数特征向量的特征距离R

步骤5：根据格点的坐标和气象参数，获得两个格点的空间距离R

步骤6：根据步骤5的计算公式，计算气候空间之内的任意两个格点之间的空间距离R

步骤7：对计算所得的所有空间距离R

步骤8：采用全球探空观测站点中国区域82个站点逐日大气参数数据进行对比验证。图3为对应站点位置。

所述步骤1中，格点划分是依据经纬度等距进行划分的。

所述步骤2中，格点的总数为n，n个格点中第i个格点的坐标为(x

步骤3中，所述两个格点之间的位置距离R的计算公式为：

所述公式(1)中，x

步骤4中，所述特征距离R

所述公式(2)中，T

步骤5中，空间距离R

所述公式(3)中，x

所述的基于双重距离的气候空间分区方法，还包括如下步骤8：对已划分的子区进行验证，定量计算区域划分的偏差值并作为分区的合理性检测依据，通过迭代寻优过程 获得最佳的区域划分结果。

如图1，本发明的基于双重距离的气候空间分区方法，对气候空间进行格点划分；确定每个格点的坐标和气象参数的特征向量；计算两个格点之间的位置距离R和参数 特征向量的特征距离R

聚类分析通过衡量对象之间的差异度来反应对象之间的相似度关系，最常采用的是 欧式距离，设定我国区域数据中，依据经纬度等距划分为n个格点，第i个格点的经纬 度坐标为(x

所述公式(1)中，x

两个格点的参数特征向量的特征距离R

所述公式(2)中，T

位置距离可以表达地物之间的临近程度，参数特征距离则刻画地物之间参数特征的 相似性。而在分析气象数据中，既要求位置距离相近，又要求参数特征相似。将二者结合得到关联参数位置和属性特征的空间距离R

所述公式(3)中，x

气象数据中，往往需要分析n个参数的相似性。而这些参数特征对聚类分析的作用往往不同，各参数特征对结果影响的重要性可用权重向量(w

w

气象参数的权重，以近地面大气参数的变异系数来确定其权重(以温度T为例)，各参数的变异系数为：

以近地面大气参数的变异系数来确定其权重(以温度T为例)，各参数的变异系数为：

式中，δ

式中，T

式中，w

根据空间距离R

步骤01：(随机)选择K个聚类的初始中心；

步骤02：对任意一个格点，求其到K个聚类中心的空间距离Rs，将格点归类到空 间距离最小的中心的聚类，如此迭代n次；

步骤03：每次迭代过程中，利用均值等方法更新各个聚类的中心点(质心)；

步骤01：对K个聚类中心，利用02和03步迭代更新后，如果位置点变化很小(设 置阈值限定参数数值界限)，则认为达到稳定状态，迭代结束。

本发明的基于双重距离的气候空间分区方法，先建立各格点的温度、水汽和气压年 际记录的相关矩阵，进行数据预处理，计算温度、水汽和气压的权重系数；再计算各个格点的多属性空间距离，对其执行聚类分析，获得分区结果和聚类中心；最后，对已划 分的子区进行验证，定量计算区域划分的偏差值并作为分区的合理性检测依据，通过迭 代寻优过程获得最佳的区域划分结果。

如图2是我国陆地地区的分区示意图。当分区数目k＝12时，聚类结果最佳，分区合理，其中的聚类结果如图2所示。图2中，不同颜色表示不同的分类区域，总体来看，中 国陆地地区被分为12个区域，分区结果的空间分布具有明显的地域性特点。

在气候变化和模式预测等气候研究中，基于双重距离的空间聚类是对温度、水汽、气压等基本气象要素进行客观分区的有效方法。并且，作为气候诊断必要的技术过程， 综合考虑分区的季节变化可为不同季节的气候变化研究找到合适方案。

本发明中，空间位置与参数特征关联下基于双重距离的空间聚类算法在分析中国区 域大气参数空间分布及均质区划分研究方面的可行性和合理性，为后续地基观测站点布 设与测量设备标准配置方案提供科学依据。以双重距离为基础，统一空间聚类分析系统和空间距离测度，将气象参数数据的空间位置与参数特征二者相结合，以完整描述我国 气候区域变化特征和空间差异性，从而实现区域大气参数空间分布均质区的有效划分。

本发明有望解决高纬度地区、海洋地区等气候环境艰难的区域实地观测困难的问题，为不同地区观测站点数据的代表范围做了界定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不 背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由 所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围 内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权 利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应 当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术 人员可以理解的其他实施方式。