一种气温日值缺失数据的快速插补方法技术

本发明专利技术属于气象监测技术领域，公开了一种气温日值缺失数据的快速插补方法，包括S1、获得插补站p的计算区序列Y(p)；S2、获得参照站q的计算区序列Y

【技术实现步骤摘要】
一种气温日值缺失数据的快速插补方法


[0001]本专利技术涉及气象监测
，具体为一种气温日值缺失数据的快速插补方法。

技术介绍

[0002]气象资料序列的完整性是天气预报、气候分析、气象研究的重要依据，因此，对于气象站数据的准确性、完整性显得尤为重要。随着中国气象局大量布设无人值守的地面加密自动气象站，因仪器故障、通信中断、自然灾害等原因引起的观测中断或数据质量异常情况频次大增，从而不断出现随机站点和随机长度这种双随机特点的气象资料序列缺失，给气候分析和应用造成了很大的障碍。气象观测资料中，气温作为研究气候演变最基础的物理量，其日值序列的连续性和准确性对于气候统计与分析有着重要的意义。
[0003]目前，对日值序列插补缺失数据的方法主要采用的是统计学代替方案，即利用标准序列法等计算方法，选择邻近气候相关性较高站点的气温观测实值进行替换。但是该方法需要插补站及临近参考站累年历史同期的气温平均值和标准差，需要大量的历史数据；这对于建站时间较短、迁建频繁、缺少长序列历史数据支撑的无人值守气象站来说并不适用；而且近年来气候的变化频繁，气候变化的敏感区明显增多。现有的统计学代替方案难以满足随机站点和随机长度这种双随机特点的快速、多变、实时性插补需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种气温日值缺失数据的快速插补方法，本专利技术基于临近参考站数据，利用一元线性回归方程分离气温时间序列中的残差线和趋势线，再对趋势线和残差线进行二次重构，使得插补效果更符合站点特征，满足双随机特点的快速、多变、实时性插补需求，以解决
技术介绍
中的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种气温日值缺失数据的快速插补方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据插补站p的B
(p)
序列的长度N，获得B
(p)
的时间左邻序列A
(p)
和右邻序列C
(p)
，左邻序列A
(p)
和右邻序列C
(p)
长度均为N，将三者合并后获得插补站计算区序列Y
(p)
＝[A
(p)
，B
(p)
，C
(p)
]；
[0008]S2、寻找参考站q，并获得参照站q与插补站p对应时间区间的A
(q)
、B
(p)
和C
(q)
序列，合并后获得参考站计算区序列为Y
(q)
＝[A
(q)
，B
(q)
，C
(q)
]；
[0009]S3、将S2中参照站q的B
(q)
序列“嫁接”给S1中插补站p的B
(p)
序列，形成插补站p的插补序列此为一次插补；
[0010]S4、分别对S2中的参考站计算区序列Y
(q)
＝[A(a)，B
(q)
，C
(q)
]和S3中插补序列计算一元线性回归方程，Y
(q)
残拟分离后得到拟合序列和残差序列E
(q)
＝[E
A(q)
，E
B(q)
，E
C(q)
，残拟分离后得到拟合序列和残差序列
[0011]S5、将S4中的残差序列E
B(q)
和拟合序列残拟重构，相加得到插补值B
r(q)
，此为二次插补，B
r(q)
即为插补站p的数据缺失序列B
(p)
的最终插补结果。
[0012]进一步地，在S4中，残拟分离的方法为：
[0013]设Y＝[y1，y2，
…
，y
N
]为气温观测时间序列，长度为N，则其一元线性回归方程记作：
[0014][0015]式中，y
i
为第i时刻的观测值；a为回归常数，也被称为截距；b为回归系数，也被称为斜率；为第i时刻的拟合值，全部时次拟合值组成的直线代表了气温的整体变化趋势；
[0016]计算观测值到拟合值之间的残差记为
[0017][0018]并记残差平方和为：
[0019][0020]a和b的最小二乘法估计值为SSE最小值的解，将求出的a和b带回回归方程，得到的为最优的拟合直线方程；
[0021]将观测值与残差之间的形式进行变换得到：
[0022][0023]上式表明，观测值y
i
在第i时刻，由残差值e
i
和拟合值相加构成，即序列Y＝[y1，y2，
…
，y
N
]实现残拟分离，形成残差序列E＝[e1，e2，
…
，e
N
]和拟合序列
[0024]进一步地，在S5中，残拟重构为S4中残拟分离后的再次结合。
[0025]技术方案的有益效果是：
[0026]1、本专利技术对气温日值缺失数据进行插补，仅需参考距离插补站最近的临近站实时观测数据，不需要进行累年历史同期气温平均值和标准差的数据回算，因而更加灵活，可以满足随机站点和随机长度这种双随机要求的快速、多变、实时性插补需求；
[0027]2、本专利技术利用一元线性回归方程，采用了残差值与拟合值分离后再合并的二次插补机制；仿真实验表明，相较一次插补二次插补极大地提高了插补数据质量，实验结果更接近于真实值。
附图说明
[0028]图1为插补区示意图；
[0029]图中，(a)为插补前，(b)为插补后；
[0030]图2为本专利技术一种气温日值缺失数据的快速插补方法的流程图；
[0031]图3为利用本专利技术一种气温日值缺失数据的快速插补方法插补过程的示意图；
[0032]图中，(a)为插补站待插补数据，(a
’
)为参考站数据；(b)为插补站一次插补结果；(c)和(c
’
)为残拟分离过程；(d)为二次插补结果。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步的详细说明：
[0034]如图1所示，关于插补区的解释说明：
[0035]设Y＝[A，B，C]＝[a1，
…
，a
N
，b
N+1
，
…
，b
2N
，c
2N+1
，
…
，c
3N
]为气温观测时间序列，长度为3N(N≥1)，序列B＝[b
N+1
，
…
，b
2N
](长度为N)为序列Y中气温连续缺失部分，元素为空值；如果序列B的左邻序列A＝[a1，
…
，a
N
](长度为N)和右邻序列C＝[c
2N+1
，
…
，c本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气温日值缺失数据的快速插补方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据插补站p的B
(p)
序列的长度N，获得B
(p)
的时间左邻序列A
(p)
和右邻序列C
(p)
，左邻序列A
(p)
和右邻序列C
(p)
长度均为N，将三者合并后获得插补站计算区序列Y
(p)
＝[A
(p)
，B
(p)
，C
(p)
]；S2、寻找参考站q，并获得参照站q与插补站p对应时间区间的A
(q)
、B
(p)
和C
(q)
序列，合并后获得参考站计算区序列为Y
(q)
＝[A
(q)
，B
(q)
，C
(q)
]；S3、将S2中参照站q的B
(q)
序列“嫁接”给S1中插补站p的B
(p)
序列，形成插补站p的插补序列此为一次插补；S4、分别对S2中的参考站计算区序列Y
(q)
＝[A
(q)
，B
(q)
，C
(q)
]和S3中插补序列计算一元线性回归方程，Y
(q)
残拟分离后得到拟合序列和残差序列E
(q)
＝[E
A(q)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周笑天，张茜茹，陈益玲，李长军，冯勇，张平，
申请(专利权)人：山东省气象信息中心山东省气象档案馆，
类型：发明
国别省市：