Ένα υβριδικό μοντέλο τριών σταδίων για ολοκληρωμένες αναλύσεις των ανωμαλιών θερμοκρασίας
Οι ανωμαλίες της θερμοκρασίας, ιδιαίτερα οι ακραίες θερμοκρασίες, έχουν λάβει αυξανόμενη προσοχή λόγω των δυνητικά σοβαρών επιπτώσεών τους στα οικοσυστήματα, την οικονομία και την ανθρώπινη υγεία. Οι επιπτώσεις των ιστορικών και πιθανών μελλοντικών ανωμαλιών της θερμοκρασίας είναι τοπικές και τοπικές. Προκειμένου να κατανοηθούν τα περιφερειακά χαρακτηριστικά των ανωμαλιών θερμοκρασίας και να ανταποκριθούν στις ανάγκες διαχείρισης του περιβάλλοντος ανθρώπινης εγκατάστασης, η ερευνητική ομάδα του Yang παρουσιάζει συγκεκριμένα ένα υβριδικό μοντέλο τριών σταδίων για τη διευκόλυνση των εκτιμήσεων των ανωμαλιών θερμοκρασίας σε περιφερειακή κλίμακα [1].
Η ομαδοποίηση είναι μια διαδικασία κατάτμησης ενός συνόλου δεδομένων σε ένα σύνολο σημαντικών ομάδων, που ονομάζονται συστάδες. Ο αλγόριθμος ομαδοποίησης K-means είναι ένας από τους απλούστερους αλγόριθμους μάθησης χωρίς επίβλεψη που μπορεί να κατατμήσει δεδομένα σε K μη επικαλυπτόμενες περιοχές. Στην περιοχοποίηση των ανωμαλιών θερμοκρασίας με ανάλυση συστάδων, σταθμοί με παρόμοια χαρακτηριστικά θερμοκρασίας ομαδοποιούνται για να σχηματίσουν ένα σύμπλεγμα. Αλλά η αξιοπιστία του επηρεάζεται αδικαιολόγητα από τα αρχικά κέντρα και τους αριθμούς συστάδων. Για να μειωθεί η αβεβαιότητα και να διευκολυνθεί η αντικειμενικότητα κατά την περιφερειοποίηση, οι αριθμοί και τα κέντρα των συστάδων επιλέχθηκαν a priori χρησιμοποιώντας την ανάλυση εμπειρικής ορθογώνιας συνάρτησης (EOF) και περιστρεφόμενης εμπειρικής ορθογωνικής συνάρτησης (REOF) αντίστοιχα. Με βάση την αντικειμενική περιφερειοποίηση, αναπτύχθηκε ένα υβριδικό μοντέλο τριών σταδίων.
Οι δηλωμένοι στόχοι του υβριδικού μοντέλου τριών σταδίων ήταν ο εντοπισμός περιφερειακών συνεκτικών αλλαγών, η ανάλυση των τάσεων σε υποπεριοχές και η ανακάλυψη ευαίσθητων περιοχών. Αποτελούνταν από στάδια χωρικής περιφερειοποίησης, χρονικές τάσεις και αναλύσεις περιφερειακής ευαισθησίας. Το στάδιο Ι μοντέλο στόχευε στον αντικειμενικό προσδιορισμό υποπεριοχών με συνεπείς αλλαγές θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ομαδοποίησης EOF, REOF και K-means. Μετά την επικύρωση και την προσαρμογή για περιφερειοποίηση, οι χρονικές τάσεις στις υποπεριοχές αναλύθηκαν με τη δοκιμή Mann-Kendall στο μοντέλο σταδίου II . Μια σύγκριση της ευαισθησίας στη θερμοκρασία μεταξύ των υποπεριοχών διεξήχθη χρησιμοποιώντας τη μέθοδο κλίσης του Sen στο μοντέλο του σταδίου III.
Τα βήματα του υβριδικού μοντέλου τριών σταδίων είναι τα εξής:Βήμα 1. Καθορίστε τη χωροχρονική μήτρα X(r×t) για τις θερμοκρασίες. Βήμα 2. Προσδιορίστε τον αριθμό των συστάδων k με ανάλυση ΕΟΦ. Βήμα 3. Προσδιορίστε τα αρχικά κέντρα ομαδοποίησης c με ανάλυση REOF. Βήμα 4. Αντιστοιχίστε r σταθμούς σε k ομάδες συστάδων χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ομαδοποίησης K-means. Βήμα 5. Προσδιορίστε τις υποπεριοχές με βάση τις ομάδες συστάδων και τη γεωγραφική θέση των σταθμών. Βήμα 6. Επικυρώστε την ομοιογένεια εντός των υποπεριοχών και την ετερογένεια μεταξύ των υποπεριοχών. Βήμα 7. Αναλύστε τις χρονικές τάσεις χρησιμοποιώντας το τεστ Mann-Kendall. Βήμα 8. Αναλύστε την περιφερειακή ευαισθησία χρησιμοποιώντας τη μέθοδο κλίσης του Sen.
Συνοψίζοντας, πρόκειται για ένα γενικό και συστηματικό μοντέλο που μπορεί να εφαρμοστεί στις χωροχρονικές αναλύσεις σε μετεωρολογικά και υδρολογικά πεδία. Η εργασία ανέλυσε τις μέσες ετήσιες και ακραίες θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας τα ημερήσια δεδομένα που συλλέχθηκαν από 537 σταθμούς στην Κίνα από το 1966 έως το 2015, συμπεριλαμβανομένων των ετήσιων μέσων, ελάχιστων και μέγιστων θερμοκρασιών (Tm, TNm και TXm) καθώς και τις ακραίες ελάχιστες και μέγιστες θερμοκρασίες (TNe και TXe). Ένας συνδυασμός της ανάλυσης ομαδοποίησης EOF, REOF και K-means χρησιμοποιήθηκε για την ομαδοποίηση 537 σταθμών θερμοκρασίας σε μικρό αριθμό περιοχών.
Το Σχ. 2 επεξηγεί τη χωρική περιοχοποίηση των ανωμαλιών μέσης και ακραίας θερμοκρασίας με βάση το μοντέλο του σταδίου Ι. Οι αριθμοί των υποπεριοχών ήταν 6, 7, 8, 9 και 8 για Tm, TNm, TXm, TNe και TXe, αντίστοιχα. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το Tm, η Κίνα χωρίστηκε σε έξι υποπεριοχές, συμπεριλαμβανομένων των βορειοδυτικών, βορειοανατολικών, νοτιοδυτικών, κεντρικών, ανατολικών και νότιων περιοχών (Εικ. 2α). Η πλειοψηφία των σταθμών σε κάθε υποπεριοχή ανήκε στην ίδια ομάδα συστάδων, υποδεικνύοντας περιφερειακά συνεκτικές αλλαγές (Εικ. 3). Το διαμέρισμα που προκύπτει είναι τέτοιο ώστε κάθε σταθμός σε μια περιοχή να συσχετίζεται περισσότερο με έναν άλλο σταθμό στην ίδια περιοχή, παρά με σταθμούς σε οποιαδήποτε άλλη περιοχή.
Σύμφωνα με τις τάσεις και τις αναλύσεις ευαισθησίας των περιφερειακών ανωμαλιών θερμοκρασίας, οι ρυθμοί θέρμανσης μεταξύ των υποπεριοχών ήταν πολύ διαφορετικοί, αν και παρατηρήθηκαν σημαντικές αυξήσεις της θερμοκρασίας στις περισσότερες περιοχές της Κίνας από το 1966 έως το 2015. Το Σχ. 4(α) απεικονίζει την κατάταξη του βαθμού ευαισθησίας του περιφερειακές ανωμαλίες θερμοκρασίας. Το Σχ. 4(β) παρουσίασε τη μέση ανύψωση και τη γραμμή σφάλματος της ανύψωσης σε κάθε υποπεριοχή.
Από το Σχ.4, η μέγιστη θερμοκρασία αυξήθηκε σημαντικά σε υψηλά υψόμετρα, ενώ η ελάχιστη θερμοκρασία αυξήθηκε σημαντικά σε μεσαία-χαμηλά υψόμετρα. Για παράδειγμα, οι πιο ευαίσθητες περιοχές σε TNm και TNe ήταν οι περιοχές I και VI, με μέσο υψόμετρο 991 m και 51 m, αντίστοιχα. Οι τάσεις θέρμανσης στην περιοχή II του TXm και στην περιοχή III του TXe ήταν οι πιο σημαντικές, με μέσο υψόμετρο 1694 m και 2098 m, αντίστοιχα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο Ένα υβριδικό μοντέλο τριών σταδίων για περιφερειοποίηση, τάσεις και αναλύσεις ευαισθησίας των ανωμαλιών θερμοκρασίας στην Κίνα από το 1966 έως το 2015, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Atmospheric Research . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Δρ. Feifei Wu, τον καθηγητή XiaoHua Yang και τον καθηγητή Zhenyao Shen από το Normal University του Πεκίνου. Ελπίζουμε ότι το υβριδικό μοντέλο τριών σταδίων θα αναπτυχθεί για να λύσει τα σχετικά προβλήματα περιβάλλοντος ανθρώπινων οικισμών για όλους.
Αναφορά :
- ΣΤ. F. Wu, Χ. Η. Yang, Ζ.Υ. Shen, Ένα υβριδικό μοντέλο τριών σταδίων για περιφερειοποίηση, τάσεις και αναλύσεις ευαισθησίας των ανωμαλιών θερμοκρασίας στην Κίνα από το 1966 έως το 2015, Ατμοσφαιρική Έρευνα , 205(2018) 80-92.
