气候统计学

大气科学（一级学科）

气候统计学是指研究气候学中应用的各种数理统计方法的学科。

定义

气候统计学是指利用现代统计学方法分析整理气候资料、推断气候规律的学科。

内容

现代统计学是运用概率论的基本理论，对要研究的自然与社会随机现象进行多次观测或试验（抽样）;研究如何合理地获得数据资料，建立有效的数学方法，并根据所获得数据，对所关心的问题作出估计和检验；总之是一门关于数据资料的收集、整理、分析、和推断的科学。

在理论上，系统的内在随机性及外在随机性几乎不可避免，气候具有概率性。从实践中看，历来许多重要观测事实的揭示往往都是通过统计学方法。

统计方法是研究气候变化的一个重要工具。其内容很多，如各种相关分析、加归分析、判别分析、聚类分析、时间序列分析和极值分析等。分析气候变化的演变特征，我们可以发现，气候变化主要包括气候状态均值的缓慢上升或下降，气候围绕均值的振动幅度变大或变小以及气候在一个短时期内发生很大的、异常的、剧烈的变化。气候变化的这些基本特点，可以通过分析气候稳定性、气候噪声、气候持续性和气候变化周期来诊断和估计。

在气候统计中，一般利用日平均温度计算超过某一定限温度的概率与持续时间。不过，这种计算方法并不考虑环绕平均值的振动，所以这种计算结果，并不能完全满足生产实际各方面的要求。为了弥补这一缺点，最好求得每小时观测值的分布函数。一般不易获得每小时的观侧值，所以最好利用每日3（或4）次观测值，去计算超过某一定限温度的概率与持续时间。

发展历史

气候统计的发展是建立在概率论基础之上的。概率论起源于17世纪，早期由贝努里与拉普拉斯等人建立了一系列有关的理论基础自那时以来，在许多学者的相继努力下，近代概率论体系逐渐形成，其中苏联学者A．H．科尔莫格罗夫尤为杰出。

概率论用于气候统计则是本世纪20年代以来的事情。最早如奥地利气候学家V.康拉德（Conrad）在气候统计方面作了很多工作，1944年他写成第一本有关气候统计的书籍《气候学中的方法），总结了以前各学者的工作以及他自己的工作，该书在1950年又由L.W.波拉克（Pollak）加以增补。英国气候学者C.E.P.布罗克斯（Brooks）自本世纪20年代至50年代也在气侯统计方面作出贡献。1953年他与N.卡陆塞斯曾合著了《气象学统计方法手册》一书，该书在数理统计学如何应用于气候统计的间题上作了详细总结，成为60年代统计气候方面最好的参考书。该书基于”统计分析对象（即气候资料序列）为来自总体的样本”这样的观点，借助于随机抽样理论，引进了显著性检验、方差分析、周期图和相关图分析等统计方法。此外，这一时期，高桥浩一郎（1944，1956）也著有《气象统计》，H.A.潘诺夫斯基（Panofsky）与G.W.布瑞尔（Brier）写过《统计学在气象学中一些应用》等专著，在气候统计理论和方法的应用上都有一定的贡献。60年代以来，哥兹克（Godske)曾著《气候学中的统计方法》及《统计学方法及其在气候学中的应用》，铃木荣一（1968）则著有《气象统计学》一书，系统地论述了统计学在气候应用中的新进展，而1976年艾森万根（Essewanger）则写了《大气科学中的应用统计学》专著。所有这些书籍和专著都极大地丰富了气候统计学的内容。另外，值得一提的是，苏联学者在气侯统计方面所作贡献也十分显著，其中德罗兹多夫在《气象观测的气候学整理》一书中(1957）就曾系统地总结过苏联在气候资料统计应用方面的成就，卡札凯维奇曾于80年代末写成《随机函数论原理及其在水文气象学中的应用》一书，反映了这一时期苏联学者应用随机函数理论在水文气象研究中的主要成果。

事实上，在气候学发展进程中，统计学概念几乎随处可见，最早的气候定义就有”气候是天气的平均”，’气候是大气状态的平均”等涵义。直到现代，气候的概念始终都具有统计学涵义，不过，随着现代气候理论的发展，气候的统计学概念已更为完整和客观化。例如，Godske(1966）曾提出气候与气候学的一个定义，认为气候学是研究具有时间与空间的气象要素多变量分布的科学，sneyers(1979）曾进一步指出，从数学意义上说，如果将天气表征为大气中各（空间）点上随时间而变化着的热力、动力状态参量的联合值，那么，气候就是大气中任何点上这些取值的统计总体。在霍顿（Houghton，1984）主编的《全球气候》这一权威性专著中，著者们也提到了直观的现代气候定义，即“天气振动可视为一种多元随机过程，而在某一足够长时间域上，天气振动所表现出来的各种统计特征的总和（如平均值、方差、时空相关函数、极值概率等）就是气候。”由上可见，气候的概念与统计学涵义始终具有密切的联系，而气候统计正是概率统计理论在气候学的具体应用。由于气象资料的日积月累，统计学方法不仅已成为分析和描述气候状况不可缺少的工具之一，而且已成为进一步研究气候成因与变化的一种方法论。正因为如此，进入80年代以来，气候统计学所取得的成果早巳远非一两本专著所能概括。尽管在这一时期前后，国外学者和国内学者都曾写出不少专著书籍（如王宗皓、李麦村，1974；黄忠恕，1983；么枕生，1984；屠其仆等，1954；Epstein,1985；史久恩，项静恬，1988)，但由于统计学各分支学科（如多元统计、时间序列，分布理论、马尔科夫链等）的迅速发展，加之气候学各分支与大气科学的其它各分支学科又相互渗透，致使大量的研究成果融会于各种学术文献的浩翰湮海之中，因此，学者们深感气候统计学术文流的重要。

运用与影响

近年来，人们日益广泛地应用数理统计方法来揭示气候要素波动与作物产量之间的关系，国内外均作了不少的研究工作，取得了许多有意义的成果。为获得农业气候环境信息的可靠数据，以分析作物与气候资源的适应性，人们在农业气候资源考察中可以采用了事件和数值相关，回归积分和逐步回归等方法，对某研究区域的农作物产量与气候要素进行统计学分析。

使用气候倾向率、经验频率法等分析法，可揭示某研究区域的气候特征。而气候倾向率、经验频率法等分析法隶属于气候统计学。

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