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1、汽车与交通学院2013年青岛气候变化原因分析摘 要气候变化逐渐成为人们日益关注的问题，研究气候异常、气候变化趋势、气候变化的原因可以更好的引导人类生活。本文通过阐明青岛气候变化趋势和气候异常等状况，分析了气候变化的可能原因，并依据分析结果对青岛市未来的发展规划提供了一些参考意见。针对问题1：为了阐明青岛气候变化趋势和气候异常的状况，本文选取了影响气候的主要影响因素，借助Excel软件对题目所给数据算出各种因素的年均值(见附录2表一)。利用MATLAB软件编程（程序见附录1程序1-10），绘出这些年的各因素年均值的散点图（见图1-10），进一步得出模型的多项式拟合方程（见表1）。最后，对模型所求
2、出的拟合曲线进行残差检验。检验结果(见图16-25)证明了模型的可靠性。分析结果表明：近50年来青岛气温总体变化呈上升趋势，增温幅度为0.57。其中青岛春夏两季气温的变化对全年气温的变化起到了关键作用；年平均风速、年平均能见度、年平均最大风速均明显下降，年平均最高气温、年平均气温均波动上升，而其余因素均较平稳没有显著变化。针对问题2：为揭示气候变化的可能原因，本文建立主成分分析模型。首先，利用MATLAB软件编程（程序见附录1程序11）对年均值进行处理，得到归一化矩阵(见附录2表二)。然后，利用SPSS软件算得相关系数矩阵、特征向量、累计贡献率和主成分载荷（见表2-4）。通过分析主成分各因素的
3、贡献率可知：第一主成分：人类生产活动。第二主成分为：绝对湿度。第三主成分：海陆温差。能见度的降低是由于人类的活动导致空气中的颗粒物增加造成的；露点是绝对湿度的一项重要指标，绝对湿度与降水量有关，透过露点可知道空气中水分的含量；海陆间的气压差降低，致使风速的降低，城区上空的污染物就不能快速的扩散，也是能见度降低的一个原因。 针对问题3：为对青岛市未来做合理的规划。建立灾变预测模型（见式11-20）利用青岛近五十年的夏季最高气温和冬季的降雨量均值，借助MATLAB软件编程（程序见附录1程序12-13），预测出未来会出现异常天气的年份。进而对模型进行残差检验、级比检验，效果较好。最后得出青岛夏季的高
4、温会出现在2013年，2015年；冬季降雨量的异常会发生在未来的10年和22年。进而对工业，农业等给出合理的建议，对青岛未来的发展做出合理的规划。对于所有模型的求解，是利用MATLAB软件，Excel软件，SPSS软件实现的。最后，本文讨论了该模型的优缺点，对本文所建立的模型的合理性、精确性进行了说明，并将模型进行了推广，对青岛市未来的城市规划提供了一些参考建议。关键词：青岛气候变化、多项式拟合、主成分分析、灰色预测、级比检验一、问题背景青岛地处北温带季风区，又濒临黄海，兼备季风气候与海洋气候特点，冬季气温偏高，春季回暖缓慢，夏季炎热天气较少，秋季降温迟缓。 青岛因地处浩瀚大海的环抱，具有明显
5、的海陆风特点。青岛地处欧亚大陆的东缘，属南温带季风区域。特殊的地理环境形成了青岛市独特的气候特点。由于海洋环境的调节，夏半年具有显著的海洋性气候特点：盛行东南风，气候湿润多雨，热量充足，温度适中且无酷暑，是避暑休闲的好地方；冬半年具有大陆性特点：盛行偏北风，空气干冷，雨雪稀少。由于海陆温度日变化的不同，青岛具有明显的海陆风特点：表现为从半夜至晨，南风转北风（陆风），到中午前后又转为南风（海风），海陆风过程时间短，风力弱。影响气候的主要原因，是太阳辐射、大气环流和下垫面性质等。其中下垫面的性质是形成区域小气候的主要因素。对于青岛来说，其局地气 候的形成主要是受海洋、山脉和城市三大地理因素的影响。
6、二、问题重述请利用美国气候数据中心所提供的1956年8月20日至2013年4月22日的常规观测数据对青岛当地的气候变化做出分析。影响气候的因素主要有：气温（含平均、最高和最低气温）、露点、气压（含平均海平面处和常规测站处气压）、能见度、风速（含平均和最大风速）、降雨量等。要解决的主要问题：（1）通过系统的数据处理，深入分析各种影响因素的变化特征，以此来阐明气候变化趋势和气候异常等状况；（2）分析气候变化的可能原因；（3）依据分析结果对青岛市未来的发展规划提供参考意见。三、问题的分析随着社会生产力水平的不断提高和科学技术的不断进步，人类在开发环境、利用环境创造和丰富物质文明的同时，也在污染和破坏
7、着自身的生存环境。长期以来，人们为了追逐工商业中的经济利润最大化，只把人类劳动确定为商品价值的先决条件，而对于身边的环境影响置之身外，从而对近些年的气候产生了很大的影响，下面我们就对以下几个问题进行分析与讨论：针对问题一：针对气候的变化趋势及异常状况等，我们选取气温（平均气温、最高气温、最低气温）、露点、气压（常规测站处气压、平均海平面气压）、能见度、风速（最高风速、平均风速）、降雨量等具有代表性的影响因素，用Excel软件算出了各种因素的年均值，再建立多项式拟合模型，利用MATLAB软件画出多项式拟合图像，通过对图像变化趋势的直观分析可以得出结论。最后借助MATLAB软件中regress命令
8、画出拟合图像的残差图，用来检验模型的合理性。 针对问题二：气候的变化是由多个因素影响的，变量太多，会增加分析问题的难度与复杂性。本题所给的影响气候的因素较多，需要进行降维处理。主成分分析法在相关分析的基础上将多个变量化为少数的综合指标。在影响气候的因素中平均气温与最高、最低气温之间，平均风速与最高风速之间是有相关性的。所以，只采用平均气温、露点、平均海平面出气压、能见度、平均风速、降雨量这八个影响因素。针对问题三：为了对青岛市未来的发展做出规划，我们首先要了解到青岛市未来的气候变化趋势。本文可对青岛市未来会发生异常天气的年份进行预测作出预测。首先，建立灾变预测模型，借助MATLAB计算出未来会
9、发生异常气候变化的年份，再利用残差检验和级比检验对做出的模型进行检验。进而对工业，农业等给出合理的建议。对青岛未来的发展做出合理的规划。四、模型的假设1.假设各因素中的数据除了缺失的外，其余数据合理；2.假设各因素的变化均对气候变化产生影响；3.假设除了气温（含平均、最高和最低气温）、露点、气压（含平均海平面处和常规测站处气压）、能见度、风速（含平均和最大风速）、降雨量因素外，其余的因素对气候变化不产生影响；4.假设青岛周围海域对气候影响无较大差异。五、符号说明1.V:相关系数矩阵2.:为原变量指标3.为新变量指标4.称为矩阵的特征值5.特征向量ei，6.主成分载荷7.原始数据列8.均值数列9
10、.Y 为已知数据向量10.B 为已知数据矩阵11.r为参数向量12.级比13.残差为14.级比偏差检验六、模型建立与求解6.1 问题一的模型与求解6.1.1模型的分析：拟合是指已知某函数的若干离散函数值，通过调整该函数中若干待定系数，运用最小二乘法使得该函数与已知点集的总偏差最小。能较好的反映出各种因素的变化趋势。为了阐明1956年来温度、气压、露点、能见度、风速、降雨量等影响气候变化的各种因素的变化特征，这里我们先画出散点图，大致判断出各种因素的变化趋势，然后根据其变化趋势确定合适的函数对其进行拟合。最终我们采用4阶多项式对其进行数据拟合。 6.1.2 数据的预处理首先，我们对数据进行预处理
11、(数据处理结果见附录2表1)：对于一些明显错误的数据如19900608日的海平面处气压为0.001本文采用滑动平均法进行处理，即用错误数据的前五个数据和后五个数据的均值来代替这个数据。对于19651972这八年间丢失的数据和常规测站处气压丢失的数据，因为丢失的数据过多，没有合适的方法来补全，本文不予处理。6.1.3 模型的建立与求解 为了深入分析各种影响因素的变化特征，以此来阐明气候变化趋势和气候异常等状况，我们通过多次试验，最终建立多项式拟合模型，采用四阶多项式对数据进行拟合，借助MATLAB编程（程序见附录1程序1-10），画出拟合曲线，并求出多项式表达式如下图1-图10: 32 图1 平
12、均气温多项式拟合图像 图2 最高气温多项式拟合图像图3 最低气温多项式拟合图像 图5 能见度线性拟合图像 图7 海平面处气压多项式拟合图像图4 露点多项式拟合图像图6 常规测站处气压多项式拟合图像 图8 降雨量多项式拟合图像 图9 最大风速多项式拟合图像 图10 平均风速多项式拟合图像 由MATLAB得出的多项式拟合曲线表达式见表1表 1 多项式拟合表达式影响因素拟合多项式表达式编号平均气温（1）最高气温（2）最低气温（3）露点 (4）能见度 (5）常规测站处气压 (6）海平面处气压 (7）降雨量 (8）最大风速（9）平均风速（10）6.1.5结果分析与讨论： 由以上图像我们可以看出，近50年
13、来青岛的平均风速和最大风速先小幅度上升，到1980年左右开始明显下降，大气压和露点以及降雨量的变化都不是很大。在此我们主要分析气温和能见度的变化： 气温从以上图形中可以看出青岛的平均气温和最高气温呈现出波动趋势，周期大概为25年。但总体上呈现出上升趋势，而年平均最低气温近些年则出现了明显的下降趋势。其中年平均气温最大值出现在1999年（58.2），最小值出现在1957年(52.6)两者相差5.6，增温幅度为0.57，这个结果与1 9 9 0年政府间气候变化委员会IPCC第一工作报告指出的近百年全球增温约0.30.6是一致的。为了直观的看出青岛气温四季的变化趋势，我们借助Excel软件画出了近些
14、年青岛市年平均气温的柱状图如下： 图11 春季平均气温 图12 夏季平均气温 图13 秋季平均气温 图14 冬季平均气温 从得出的各季节气温年际变化图上看, 4 个季节整体都是呈现增温趋势, 但增温程度各不相同。其中以春夏两季增温趋势最为明显 。由此可以看出, 青岛的增温主要是由春夏季气温的升高引起的。同时, 各季节的变化并非是相同的, 夏季的波动幅度明显大于其他季节, 冬季的波动幅度最小。从图像上看, 特别是从90 年代中期开始的增温过程, 春夏两季的增温幅度明显比秋冬两季的增温幅度强得多。由此我们可以认为在近50年内, 青岛春、夏季的气温变化对全年的气温变化起了关键作用。造成气温升高的原因有很多种，其中主要影响因素还是由于人类活动造成的。青岛市近些年城市化进程加快，建造了很多新的化工厂，其中释放的二氧化碳、甲烷、氟氯化碳、一氧化二氮、臭氧等温室气体的不断增加，破坏了大气层的稳定性，不过近些年的升温趋势有所缓解，主要是由于人类环保意识的增强，减少了这些气体的排放，还有一些法律法规的颁布也限制了一些不合理工厂的运营，也有一种可能就是这可能
