RClimDe中文用户手册

RClimDex(1.0)极端气候指数计算软件用户手册张学斌FengYang加拿大环境部气候争论中心2004910日南京信息工程大学遥感学院2013．82作者致谢XuebinZhang〔张学斌〕andFengYang〔加拿大气象局气候争论C5》资助。LisaAlexander,FrancisZwiers,ByronGleason,DavidStephenson,AlbertKlanTank,MarkNew,LucieVincentTomPetersonR包的开发与测试作出了重CCl/CLIVARETCCDMIRClimDex的改进供给了贵重的意见。.译者的话“://pcic.uvic.ca/tools-and-data/climdex“://pcic.uvic.ca/tools-and-data/climdex“:///software.shtml“:///software.shtmlRClimdex可计算极端气候指数27项，以下摘录来自一硕士论文《内蒙古地区NDVI的相关性》〔使用RClimdex软件〕的15项指数名称翻译及一段简要说明。１.指数名称、解释、单位FD006日>5℃或<5<10%>90%<10%>90%分位值的日数天90%CSDI冷持6日最低温在10%RX5day5mmCDD<1mmmmmmR10=10mm95%mm２.简要说明在应用RClimDex处理数据之前，必需确保每个站点的数据以文本格式储存，并且储存的气象数据必需依据年、月、日、24小时日降水量、日最高气温、日最度很大，难免有些记录值缺测，因此程序要求全部的缺测值都统一设为-99.9。启动R编辑器，读入RClimDex程序，在桌面窗口的引导下读入某站点气象数据的文本文件，程序将对文件数据进展检验处理，用于提高所用数据的质量。检验处理主要涉及几个方面的错误记录检查：〔1〕日最低温>日最高温〔2〕日降水量<0mm(3)记录值严峻偏离本地区气象实际状况，即超出3倍标准差的值定义为出界值，通过人工检查同相邻站点的记录进展比对，合理的保存，不合理的按缺测进展处理。进展完质量掌握处理后就可以对数据进展计算处理，得出一系列的excel格式的文件结果。名目简介R语言安装HowtoinstallRHowtorunRRClimDex？RClimDex的加载与使用数据质量掌握指数计算bugsBug报告AppendixA:气候指数列表AppendixB:输入数据格式AppendixC:指数定义AppendixD:Thresholdandin-baseperiodtemperatureindicescalculationAppendixE:RforWindowsFAQ介绍加拿大气象争论中心的XuebinZhang〔张学斌，华人〕与FengYang开发的RClimDex〔1.0〕是对ClimDex软件〔由加拿大国家气候数据中心的ByronGleasonR编辑器开发的用于计算多种极端气候指数。ClimDex是以Excel为根底的程序，意在供给简洁使用的软件包用于计算监测气候变化的气候极值。它由加拿大国家气候数据中心ByronGleason开发，已经用于CCl/CLIVARworkshopsonclimateindicesfrom2001.使用者可以在窗口界面的提示和引导下将争论区域的气象记录值文件进展处理excel文件的形式输出。ClimDex工程软件开发之初就强调运行环境不依靠于特定的操作系统。因此使RR语言是强健的、强大的统计分析与绘图软件。它WindowsUnix系统。2003ClimDex及其他程序中，计算百分位根底的温度指数在指数序列组中消灭了不全都性，修正工EXCELClimDex的R语言包显得更加迫切。RClimDex(1.0)有着比较友好的操作界面，计算由CCl/CLIVAR推举及可由用户定义门槛值的重要极端气候指数27种，包括16个极端温度指数和11个极端降水指数，这27个极端气候指数都是世界气象组织气候委员会推举使用的核心极端气候指数，已包括了ClimDex(Version1.3)中的几乎全部指数。RClimDex(1.0)在R1.84下进展开发，它应当可以运行于R1.84及其后的版本。开发极端气候指数软件的目的之一是用于气候监测争论，这要求各项指数必需均一化〔全都化〕RClimDex版ClimDex打算〔译者注：ClimDex是一个特地的打算，有特地的网站。当前分别有EXCEL版本、R语言版本、FORTRANClimDex软件〕ClimDex的用户，我们期望，在计算极端指数前已进展数据质量掌握。本用户手册供给逐步操作的说明。R语言的安装与运行〔译者注：很便利，几乎不需要设置，一路点击即可〕Risalanguageandenvironmentforstatisticalcomputingandgraphics.ItisaGNUimplementationoftheSlanguage developedbyJohnChambersandcolleaguesatBellLaboratories(formerlyAT&T,nowLucentTechnologies).S-plusprovidesacommercialimplementationoftheSlanguage.HowtoinstallRTclTk。R的安装过程格外简洁：1)登录网“:///“2)FollowthelinkstodownloadthemostrecentversionofRforyourcomputeroperatingsystemfromanymirrorsiteofCRAN.对于MicrosoftWindows(95,98,2000,andXP)系统，下载Windows版安装程R将消灭在你的机器中，并且在你的桌面增加快捷图标。TclTkR1.9.0及以后版本中。Linux系统,downloadproperprecompiledbinariesandfollowtheinstructiontoinstallR.Forotherunixsystems,youmanyneedtodownloadsourcecodeandcompileityourself.HowtorunRR快捷图标，或者在“开头”菜单中点击,R用户界面将会消灭。第一次使用时你可能需要配置称做“HOME”的环境变量。详E中用户常问的问题〔FAQ〕。unixR程序界面运行。欲在R界面退出，输入q在Windows系统下，还可以选择“File”菜单然“Exit”选项。如何使用RClimDexRClimDex的加载R窗口中操作，RClimDex可以通过下拉菜单加载RRGui菜单下选“File”，再选“SourceRcode。这将弹出一个窗口，你应指向你保存RClimDex的位置。在“>”〔R〕source“rclimdex如文件不在缺省名目什么名目？〕中，在rclimdex.r名称之前，source(“f:/rclimdex/rclimdex.r“〔留意：全路径名之间的间隔符为unix下承受的/”而不是windows操作系统命令行〔DOS操作系统〕\”。这RClimDex。一旦源程序加载成功，RClimDex主菜单就会消灭：译者注：英文原文中，3.1中1、2方法消灭次序相反。为便利用户使用作了调换。加载数据，运行质量掌握模块〔QC〕RClimDex质量掌握模块执行如下功能:1)用R语言认可的数据格式代替缺失值(假设原数据以-99.9表示)NA”表示“不行得”；2)用“NA”代替全部的不合理值。这些值包小于日最小气温的日最大气温。此外，质量掌握模块还能识别日最大气温与日最大气温的离群值〔不正常值〕。这些离群值是由用户定义的区域之外的日特征值。当前，这个区域被定义为均值±日特征值的n倍标准–n*std,mean+n*std]。stdmean〔均值〕7“LoadDataandRunQC”，翻开的窗口形式如下。用户能够选取用于计算极端指数的气候数据文件。文件名的格式应当有如“stationname.txt”。文件中数值格式应当符合附录B的要求。在这个实例中，我们使用一个名为“21946.txt”ASCII格式的站点数据。数据加载成功之后，一个弹出窗口消灭。有误。请比较你的数据格式与手册供给的样例数据格式。不合理的值将被自动识别，但离群值需要用户进展确认。()，但这个数值用户可以改写。由于3可能标志〔flag〕着一个很大的数值，用户可能期望设定为4。当8参数设定是为了以后使用(翻译待复核!)，不需要填写“Stationnameorcode”，点击“OK连续。译者注：此处n表示原始气象数据序列的标准差。如某地实际降水等变化超出此缺省值，可以适当放大，如将“３”改成“5”以避开误将真实值当成离群值。假设觉察不合理值，将会消灭弹出窗口。例如，日最小气温大于日最大气温。假设在日降水量中消灭负值(除了以-99.9表示缺测的状况)，将会消灭以下窗口：9假设有离群值消灭，将消灭以下窗口。译者注：离群值的查找很便利。假设消灭离群值，依据系统提示的名目中生成的文件21946tepstdQC.csv对原始数据中的不合理值进展查找与修改即可。数据掌握模块完成，将会弹出一个窗口。同时，4个Excel文件：“21946tempQC.csv”,“21946prcpQC.csv”,“21946tepstdQC.csv”,and“21946indcal.csv”将建立在一个名为log的子名目中。开头的2个文件包含着气温与降水中存在的不合理值〔比“离群值”还不合理〕信息，第3个文件标记全部可能的气温离群值及其消灭日期。最终一个文件包含着数据掌握模块的信息，并将用于指数的计算。留意：在最终的一个文件中，仅用NA4PDF(缺失值被标为红点)log名目之中。.因此，用户可能需要检查文件“21946tepstdQC.csv”中的数据，是否标记为离“21946indcal.csv”WindowsExcel软件或Unix系统下的编辑器进展修改。这一步操作完成之后，用户点击OK，进入后续的指数计算。留意：指数承受数据质量掌握后的数据进展计算。原始的输入文件并未转变。译者注：21946tepstdQC.csv中保存着软件认为可能不合理的值，用户可以查看或修改。不合理值包括：降水量为负值、最低气温大于最高气温。系统自动生成一个校核过的数据文件进展后续处理，并不直接使用原始数据文件〕因此，用户想要修改原始数据文件以改正错误值的话，应当重加载数据，数据质量掌握模块也需要再次运行。指数计算RClimDexA27种核心气候指数，用户可以依据需要选择指数进展计算。10在主菜单中选择值“计算指数〔IndicesCalculation〕”之后，用户被要求设置某些参数。“设置参数值〔SetParameterValues〕”窗口允许用户输入用于门槛值11年、站点纬度(南半球为负值)、用户定义的日降水门(Rnn指示器)、〔UserdefinedUpperLimitofDayHigh〕”用于计算日最高气温高于门槛值时的持续日数。“用户定义的日最高限值〔UserdefinedLowerLimitofDayHigh〕”用于计算日最高气温低于该值时的持续日数。“用户定义的日低值上限〔UserdefinedUpperLimitofDayLow〕”LimitofDayLow〕”数。这些指数分别被称作SUmm、FDmm、TRmm、IDmm“mm”对应于用户定义的值。译者注：基期的第12个值的年份，而不是第１个值的年份，缘由见《4.的过失》。承受默认设置不作改动可以运行，但具体影响本人尚未深入分析。对于降水指数的计算可能无直接影响，但影响温度指数的计算。《4.的过失》供给的一个补救方法是在观测数据前面增加一个值〔但标为-99.9〕详见《4.的过失》。“用户定义的日降水门槛值P(用毫米mm表示),当日降水超过这个门槛值时计算持续日数(Rnn指示器)”的修改可能影响连续潮湿指数的计算〔CWD〕。为计算全部指数。退选不需计算的指数工程后，点击“OK”进展计算。依据选择计算的指数多少，这一步的计算时间各有长短。译者注：在调试过程中，为节约运算时间可退选暂不需要计算的工程。如仅需 CDD，保存CDD选项即可。11需要计算的指数运算完成之后，消灭一个弹出窗口。“21946_XXX.cvs”XXX表示指数的名称。数据的各列用逗号(“,”)分〔最小线性二乘法solidline，locallyweightedlinearregression(dashedline)〕的图形，线性回归的趋势拟合也进展了绘JPEG的子名目中，图形文件名命名方法与前述类似，“cvs”“jpg”。译者注：提示窗口仅标出了plots名目，其他结果文件也在相应名目之中。选择“计算指数〔IndicesCalculation〕”可以为同样的站点计算其它的指数。对于其他站点，选择“数据质量掌握模块〔DataQC〕”、重复上述的同样过程。“Exit”即可。的过失1年与基期的第11216比指数计算中需要一个基期以外的数据。避开这个过失的一个方法是在观测序列的1961-1990196111日开头，可以在数据文件中增加11天的数据〔视作缺测，标为-99.9〕：“19601231-99.9-99.9-99.9”过失报告Pleasereportanybugs/errorsto.ca witherrormessagesanddatabeingusedforthecalculationoftheindices.Thiswillbehelpfulinproducingabetterreleaseinthenearfuture.Wewouldalsoappreciateyoursuggestionsforfurtherimprovement.APPENDIXA:ListofETCCDMIcoreClimateIndicesIDFD0SU25ID0TR20

IndicatornameFrostdaysSummerdaysIcedaysnightsGrowingseason

DefinitionsAnnualcountwhenTN(dailyminimum)<0ºCAnnualcountwhenTX(dailymaximum)>25ºCAnnualcountwhenTX(dailymaximum)<0ºCAnnualcountwhenTN(dailyminimum)>20ºCAnnual(1stJanto31stDecinNH,1stJulyto30thJunein

UNITSDaysDaysDaysDaysGSL LengthTXx MaxTmaxTNx MaxTminTXn MinTmaxTNn MinTminTN10p CoolnightsTX10p CooldaysTN90p WarmnightsTX90p WarmdaysWSDIWarmspelldurationindicatorWSDICSDIColdspelldurationindicatorCSDIDTRtemperaturerangeDTRRX1dayRx5dayMax1-dayamountMax5-dayamountRX1dayRx5daySDII SimpledailyintensityindexR10NumberofheavydaysNumberofveryR10R20 heavyprecipitationdaysRnnNumberofdaysabovennmmRnnCDD ConsecutivedrydaysCWD Consecutivewetdays

SH)countbetweenfirstspanofatleast6dayswithTG>5ºCandfirstspanafterJuly1(January1inSH)of6dayswithTG<5ºCMonthlymaximumvalueofdailymaximumtempMonthlymaximumvalueofdailyminimumtempMonthlyminimumvalueofdailymaximumtempMonthlyminimumvalueofdailyminimumtempPercentageofdayswhenTN<10thpercentilePercentageofdayswhenTX<10thpercentilePercentageofdayswhenTN>90thpercentilePercentageofdayswhenTX>90thpercentileAnnualcountofdayswithatleast6consecutivedayswhenTX>90thpercentileAnnualcountofdayswithatleast6consecutivedayswhenTN<10thpercentileMonthlymeandifferencebetweenTXandTNMonthlymaximum1-dayprecipitationMonthlymaximumconsecutive5-dayprecipitationAnnualtotalprecipitationdividedbythenumberofwetdays(definedasPRCP>=1.0mm)intheyearAnnualcountofdayswhenPRCP>=10mmAnnualcountofdayswhenPRCP>=20mmAnnualcountofdayswhenPRCP>=nnmm,nnisuserdefinedthresholdMaximumnumberofconsecutivedayswithRR<1mmMaximumnumberofconsecutivedayswithRR>=1mm

DaysºCºCºCºCDaysDaysDaysDaysDaysDaysºCMmMmMm/dayDaysDaysDaysDaysDaysR95pR99pPRCPTOT

VerywetdaysExtremelywetdaysAnnualtotalwet-dayprecipitation

AnnualtotalPRCPwhenRR>95thpercentile MmAnnualtotalPRCPwhenRR>99thpercentile mmAnnualtotalPRCPinwetdays(RR>=1mm) mmAPPENDIXB:输入数据格式译者注：用于输入的观测数据文件只能使用纯文本格式，不能使用CSV文件等。Allofthedatafilesthatarereadorwrittenareinlistformattedformat.Theexcepttheveryfirstdatafilethatisprocessedinthe“QualityControl”step.Thisinputhasseveralrequirements:ASCIItextfile 译者注：ASCII(NOTE:PRCPunits=millimetersandTemperatureunits=degreesCelsius)separatedbyoneormorespaces).Fordatarecords,missing

becodedas-99.9;databeincalendardateorder.Missingdatesallowed.ExampledataFormatfortheinitialdatafile(e.g.usedinthe‘Qu:alityControl’ste190111-99.9-3.1-6.8190112-99.9-1.3-3.6190113-99.9-0.5-7.9190114-99.9-1-9.1190117-99.9-1.8-8.4译者注：数据格式必需与上表保持全都，年、月、日、降水值〔mm〕、最高气温、最低气温-99.。全部记录必需按日历年排序，但允许有缺失。比方上表中15、6、7APPENDIXC:IndicesdefinitionsDefinitionsforindicatorslistedinAppendixA.Forpracticalreasons,inthisversionofthesoftware,notallindicesarecalculatedonamonthlybasis. Monthlyindicesarecalculatedifnomorethan3daysaremissinginamonth,whileannualvaluesarecalculatedifnomorethan15daysaremissinginayear. Noannualvaluewillbecalculatedifanyonemonth’sdataaremissing. Forthresholdindices,athresholdiscalculatedifatleast70%ofdataarepresent.Forspelldurationindicators(markedwitha*),aspellcancontinueintothenext yearandiscountedagainsttheyearinwhichthespellendse.g.acoldspell(CSDI)intheNorthernHemispherebeginningon31stDecember2000andendingon6thJanuary2001iscountedtowardsthetotalnumberofcoldspellsin2001.FD0ijLetTn bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:ijTn 0CijSU25ijLetTxijwhere:

bethedailymaximumtemperatureondayiperiodj.CountthenumberofdaysijTx 25CijID0ijLetTx bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:ijTx 0CijTR20ijLetTn bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:ijTn 20CijGSLijLetTbethemeantemperatureondayiinperiodj.Countthenumberofdaysbetweenijthefirstoccurrenceofatleast6consecutivedayswith:ijT 5oCijandthefirstoccurrenceafter1stJuly(1stJanuaryinSH)ofatleast6consecutivedayswith:T 5T 5CijTXxkjLetTx bethedailymaximumtemperaturesinmonthk,periodj.Themaximumdailykjmaximumtemperatureeachmonthisthen:-kj TXx max(Txkj TNxkjLetTn bethedailyminimumtemperaturesinmonthk,periodj.Themaximumdailykjminimumtemperatureeachmonthisthen:-kj TNx max(Tnkj TXnkjLetTx bethedailymaximumtemperaturesinmonthk,periodj.Theminimumdailykjmaximumtemperatureeachmonthisthen:-kj TXn min(Txkj TNnkjLetTn bethedailyminimumtemperaturesinmonthk,periodj.Theminimumdailykjminimumtemperatureeachmonthisthen:-kj TNn min(Tnkj Tn10pLetTn

bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodjandletTn10betheij incalendarday10thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:10TnTnij in10TnTx10pLetTx bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodjandletTx10betheij incalendarday10thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:Tx Tx10ij ininTn90pinijLetTnij

bethedailyminimumtemperatureondayiinperiodjandletTn

90bethecalendarday90thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:ij ij inTx90pinijLetTxij

bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodjandletTx

90bethecalendarday90thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thepercentageoftimeisdeterminedwhere:ij Tx Txij inWSDI*inijLetTxij

bethedailymaximumtemperatureondayiinperiodjandletTx

90bethecalendarday90thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingmethodfromAppendixD).Thenthenumberofdaysperperiodissummedwhere,inintervalsofatleast6consecutivedays:-ij TxTxij CSDI*LetTn

bethedailyminimumtemperatureatdayiinperiodjandletTx10betheij incalendarday10thpercentilecentredona5-daywindow(calculatedusingthemethodfromAppendixD).Thenthenumberofdaysperperiodissummedwhere,inintervalsofatleast6consecutivedays:-10TnTnij in10TnDTRijijLetTx andTn bethedailymaximumandminimumtemperaturerespectivelyondayijijiinperiodj.IfIrepresentsthenumberofdaysinj,then:jDTRj

Ii1

TxijijTxijI

TnRX1dayijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Thenmaximum1-dayijvaluesforperiodjare:j Rx1daymax(RRj Rx5daykjLetRR betheprecipitationamountforthe5-dayintervalendingk,periodj.Thenkjmaximum5-dayvaluesforperiodjare:j Rx5daymax(RRj SDIIwjLetRRwj

bethedailyprecipitationamountonwetdays,w(RR1mm)inperiodj.IfWrepresentsnumberofwetdaysinj,then:SDII

WRRwjRRjwjW20.R10ijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:RRij10mmRRij21.R20ijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthenumberofijdayswhere:RRij20mmRnnijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Ifnnrepresentsanyijreasonabledailyprecipitationvaluethen,countthenumberofdayswhere:RRijnnmmCDD*连续无雨日数〔持续枯燥指数〕，阈值为<1mmijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthelargestnumberijofconsecutivedayswhere:RRijRRij译者注：译者通过对源程序CDD模块的分析，找到了修改阈值的语句。RCLIMDEXCDD阈值仅是<1mm，而农业干旱等实际争论中存在多种降水阈值的设定。如<3mm，<5mm等。一篇美国农业干旱文献设为<6.35mm。仅需修改3处，其他操作不变如下〔6.35为例〕：1.300行prcp>=1改为prcp>=6.35〔或其他因地制宜之干旱指标阈值〕2.303行PRCP>=1mm改为PRCP>=6.35mm〔此句仅用作绘图标题，并不参与计算，不改亦无大碍〕3.1905行这是最关键的一句。应将mid[j]<1改为mid[j]<6.35CWD*ijLetRRbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.Countthelargestnumberijofconsecutivedayswhere:RRijRRijR95pTOTwjLetRRwj

bethedailyprecipitationamountonawetdayw(RR1.0mm)inperiodjandRRletRRwn

95bethe95thpercentileofprecipitationonwetdaysinthe1961-1990period.Ifwj wj Wrepresentsthenumberofwetdaysintheperiod,wj wj jR95pWjw=1wjR99pwj

RR whereRR RR 95LetRR

bethedailyprecipitationamountonawetdayw(RR1.0mm)inperiodjandwnletRR 99bethe99thpercentileofprecipitationonwetdaysinthe1961-1990period.IfwnWrepresentsnumberofwetdaysintheperiod,then:jwj wj R99pjwj wj w=1

RR whereRR RR 99PRCPTOTLetRRijbethedailyprecipitationamountondayiinperiodj.IfIrepresentsthenumberofdaysinj,thenjRRijPRCPTOTIjRRiji1AppendixD阈值〔门槛值〕估量与基期温度指数计算Empiricalquantileestimation:ThequantileofadistributionisdefinedasQ(p)F1(p)inf{x:F(x)p},1<p<1,whereF(x)isthedistributionfunction.Let{X

,...,X

}denotetheorderstatisticsof{X,...,X1

}(i.e.sortedvaluesof}),andletˆ(p)denotetheithsamplequantilen idefinition.Thesamplequantilescanbegenerallywrittenasˆ(p)1)Xi

.(j1)HyndmanandFan(1996)suggestaformulatoobtainmediumun-biasedestimateofthequantilebylettingjint(p*n(1p)/3))andlettingp*n(1p)/3j,whereint(u)isthelargestintegernotgreaterthanu.Theempiricalquantileissettothesmallestorlargestvalueinthesamplewhenj<1orj>nrespectively.Thatis,quantileestima