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前言--气象统计学私探(1)

已有 434 次阅读 2020-7-7 09:10 |个人分类:统计气象学19|系统分类:科研笔记

前言--气象统计学私探(1

张学文2009修订补充2020 07 07

 

 关于地球大气的知识在很早以前就已经归入气象学名下。20世纪,在气体状态方程、流体力学方程以及热力学第一定律知识的支持下,气象学中的的动力学理论逐步成熟。20世纪50年代以后,全球各地、各层上的压力、温度、湿度和风的每天的资料日益丰富。有的气象机构则可以根据这些资料和动力学理论开展数值天气预告,并且用于气象台的天气预报业务中。气象的动力学理论(动力气象学)由此占据了气象理论舞台。

但是,密布世界各地的气象站也拥有长时间序列气象数据。关于气象数据的统计分析工作也在进行着。这种统计分析并没有基于动力学,它们从另外一个角度看待大气。分析当地的气温、压力、湿度、风的统计平均值与出现概率就是其成果。对不同地点的气象统计资料的分析形成了气象统计知识,气候学的很多内容就是基于气象统计分析的结果。

气象资料的统计在20世纪随着统计学、概率论、天气学、气候学的发展而日益丰富。但是这种发展基本处于运用各种统计方法的层次。即把统计计算(如求平均值)作为处理天气、气候资料的手段,而没有多注意这些气象统计显示或者依据的一般规律性。人们承认气象统计的内容很丰富,但是统计气象还不具备与动力气象学平起平坐的学术地位

在物理学中有理论力学和统计力学,而且它们的地位差不多。这无形中提出一个问题:拥有大量气象数据的气象统计如何形成一个比较完备的理论结构,并且可以与动力气象学并列?

这显然是气象领域的学科建设问题。

《气象统计学私探》则是个人就此的初步探索。与一般的气象统计方法比,这里则更侧重基本概念、基本思路、基本规律的提炼、梳理,而把揭露气象统计事实方在第二位。

一个基础理论体系的建立不仅需要有明确的研究对象,还需要有基础的概念、工具和原理,公式,推论等等。自然这些也都需要有验证和应用。

气象学的动力理论以研究空气微团的气压、温度、湿度和风矢量在几何空间中的存在、分布与变化为核心任务的。它揭露普遍适用与每个空气微团的气象状态变化的规律。

气象统计理论以研究地球上大气压力、温度、湿度、风矢量、降水等等气象变量总体(相对)统计特征。

 

动力(理论)气象学与统计气象学的对比表


动力(理论)气象学

统计气象学

评论

研究对象

地球上的空气状态

地球上的气象状态

研究对象基本相同

涉及变量

气温、气压、湿度,风

除了气温压力湿度,风外还有降水、太阳能等其他气象变量

统计气象学分析的对象更多

分析角度

以空气微团个体的状态为核心

以群体的丰富气象状态为核心

统计气象学的视角比较宽

基本规律

气体状态方程、运动方程、质量、能量守恒、水汽相变理论

?!

难道统计气象没有特定的规律性?

核心问题

经过单位时间,一个空气微团的温度、压力、风、含水量有哪些变化。即揭露空气质点的变量值的变化规律

在某论域(如某地,某时间段或者某区域或者全球)中各种气象变量为不同数值的情况各有多少,它们之间的关系以及它们随时间的变化规律

都是寻找规律

 

在丰富的气象资料的统计分析中,应当把握那些重要概念、认识?

在丰富的气象资料中存在那些普遍适用的统计规律?

气象统计知识可以用于气象预告?

                  

一门科学学科的形成,没有对应的数据是不行的,但是只有数据,以及对它们的初步统计也是不够的。气象统计学需要在气象数据及其统计的基础上,提炼概念、规律,并且在这种基础上打开应用的大门。

 

         笔者无力构建一个学科,但是如果能够为此呼吁,也算是努力了。

-------

附形成一门科学学科的7点要求          (转自《空中水文学初探》一书的前言)

l 有较统一的研究对象、领域;

l  有适用于该领域的通用性比较强又比较精确的概念;

l  有研究这些对象的若干仪器、手段和方法;

l  发现了较丰富的客观事实、现象;

l  通过归纳、分析与推理得到了若干规律;

l  有若干应用事例和一些预言(成功的和还没有兑现的);

l  在社会上得到了一定程度的传播。




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