如何使用GHCN数据最好地可视化温度升高(由于气候变化)?

Question

下面是我第一次/原型尝试将其可视化的说明，在此之后将进一步解释……您现在看到的是来自USW00094728的TMAX(每日最大温度)数据的逐年动画。dly档案(站在中央公园在纽约市)公开提供ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/ghcn/daily(请参阅该目录下的readme.txt文件，了解文件格式信息等)。

每一帧的左手边是1月1日TMAX，右手边是12月31日，每一帧代表一整年。年份是1870年到2009年，每年显示0.2秒。两个空白帧表示动画重复。温度刻度为$40^o\mbox{C}$ max， $-10^o\mbox{C}$ min。

同时，动画中显示的每日TMAX数据也进行了平滑处理，即。，每一天代表七天的平均数，包括前三天和后三天。如果没有平滑，它就会变得非常跳跃/不连续。

然而，即使进行了平滑处理，在所代表的140年期间，普通观察者也没有发现TMAX的变化。当然，在$40^o$的图上预期有$1$ - $2^o$的变化，这可能很难随意注意到。

于是我有了几个想法。(a)也许可以减去日平均值(140年的平均值)，并显示$ sim10^o$图，其较高的分辨率将使小delta更容易观察到。(b)每年分别进行7天的平滑处理可能还不够，因为年与年的数据仍然非常波动。因此，通过将前后几年的同一天平均起来，可能会更加平滑。但这可能是太多不合理的数据处理了。

因此，这里的总体问题是:显示什么/如何显示-这样~150年的TMAX变化对普通观察者来说很容易看到和解释/理解。任何街上的普通人都应该能够看到它，并立即看到发生了什么，而不需要任何官样文章/胡言乱语的技术解释。另外，一个附带的问题:找到noaa ghcn数据花了一段时间，这看起来很棒。有没有同样好的或者更好的公开可用的数据集?

编辑
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谢谢评论，@ dangerdytempest和@CamiloRada。

JT的“夜间低”建议(来自ghcn数据的TMIN元素)很容易展示，只是对完全相同的程序要求不同的命令行参数(顺便说一下，没有包，都是直接C编程，这是我在注意到您的配置文件中的“程序员”后提到的)。所以我已经在下面说明了TMIN动画(缩放等，与上面的TMAX动画相同)。然而，正如人们所预料的那样，在140年的时间里，仍然没有容易想象的变化。

我们将不得不尝试“使用异常”，引用CR，并希望得到更好的结果。这可能是一个合理的希望，基于你的youtube链接，这几乎就是我认为我会产生的，除了Jan，…， 12月沿着x轴，而不是“圆图”显示在那里。(顺便说一下，虽然这个圆图很容易理解，但我认为街上的普通人可能更容易识别沿着x轴从左到右的月份显示，这可能是大多数人更熟悉的。)

我还会仔细看看youtube主页使用的HadCRUT4.4数据http://www.climate-lab-book.ac.uk/2016/spiralling-global-temperatures/在我尝试的搜索过程中，谷歌并没有提供这些数据，我想还有更多好的和有趣的东西被我忽略了。

同时，下面是JT建议的TMIN图。“异常图”将很容易在我编码跨年数据“选择”离子(即。，类似于关系表)从GHCN数据。这将花费一些时间(在我可用的空闲时间内)，当它完成时，我将尝试发布一些更好的温度升高可视化。JT更详细的显示建议将需要更详细的思考和操作(在显示方面比在计算方面更多)，我将在编写更直接的“异常”内容时尝试计划/设计。再次感谢JT和CR。

Answer 1

这本身并不是一个真正的答案。然而，根据JT的评论“你需要以某种方式合并平均值”(这反映了我自己在原始问题中的推测)，我已经合并(减去)了平均值，这确实在图表中展示了一个很容易看到的趋势。所以在某种程度上，这是一个“答案”。我还创建了两种新的图形类型，在下面进行了说明和讨论(所有三种类型)，以及它们提出的一些附加问题。

首先是1870-2009年$T_{MAX}$偏离均值的逐年静态图。每一个年偏差被计算为365/366天的日偏差的平均值，即$\frac1{365(或366)}\sum_{i=jan1}^{dec31}T_i-T^{mean}_i$，其中$T^{mean}_i$是一年中特定一天的平均值$T$(平均超过366天)所有年份，还没有考虑到CR关于1900年以前或1920年以前的评论)。每个图的比例现在是$\pm4^oC$。同样，最左边的点代表1870年的$T-T^{mean}$，最右边的点代表2009年的$。上面的图表没有像之前讨论的那样逐日平滑(我们已经平均了所有日子)，但它做有一个4年平滑，即，和中的每个$T_i$实际上是当年和当天的$T$的9点移动平均值，以及前四年和未来四年的同一天的$T$。没有任何平滑处理，就像这样因此，某种程度的润色似乎是必要的，至少对于面向普通观众的情节来说是这样。我可以很容易地计算每天的权重(例如，像正态分布一样)，将最大的权重分配给当年的那一天，但我还没有尝试过任何这样的方法。这类数据平滑有什么公认的加权方法吗?

顺便说一下，JT建议使用$T_{MIN}$实际上并不像前面的$T_{MAX}$那样“单调”，所以我将使用$T_{MAX}$的下面的动画…

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第一种类型的动画与最初的动画类似，但现在显示了偏离平均值的偏差，因此刻度现在为$\pm4^oC$。从左到右是1月1日到12月31日，第一帧显示1870年，最后一帧显示2009年(有一些空白帧表示动画重复播放)。为了避免过于“紧张”的动画，9点移动平均平滑被“双向”使用，即，首先$\pm4$天获得一年内某一天的$T$，然后$\pm4$年使用一年中的同一天的$T$来获得显示的$T$。所以现在(与原始问题中的动画不同)，显示的$T$-偏离平均值开始(1870年)低于基线，并结束(2009年)高于基线，正如我们所期望的那样。

但可能不像我们预期的那样(至少不像我预期的那样)，仔细观察，发现一年中有些日子似乎有点顽固地表现出更高的温度。这就好像气候变化在休假时有一些“国定假日”。所以这就提出了另一种类型的动画来看看这是不是一个真实的效果。

它只是沿着另一个轴从整个数据集中取“切片”。也就是说，从左到右是1870年到2009年，动画有365帧，第一帧是1月1日，最后一帧是12月31日(额外的闰年被省略了)。平滑和上面一样。这对我来说确实有点出乎意料。每一帧，单独地，描绘出某一天的年与年$T$-偏差。每个图看起来都太连续了。随便想想，比如9月28日。如果某年的气温恰好高于平均水平，你就不会认为这一事实与明年9月28日是否也会更热有多大关系。但这些图表通常是很长的温暖或寒冷年份的块。

Answer 2

在“第一个答案”后面的评论中，JT和CR的建议被包含在下面的动图中。与之前显示的相对应的新版本比之前的版本更“紧张”——它们有一个小bug，如下所示。逐年动画的“基线平均值”，沿x轴为1月1日至12月31日，是所有显示年份中每天的平均值/平均值。但我对平均值的求和发生在我对每日温度进行平滑(通常是9点移动平均值)之后。这可能不是我们想要的，尽管你可能会说这是一个“平滑基线”的合法程序。在任何情况下，gif下方显示的基线都是平滑前的，也就是说，原始的每日温度是所有显示年份的总和，这些生成的动画会更“紧张”一些。

首先，这是现在标记为jan1-dec31的动画(每帧从左到右显示所有年份，代表一年中的一天)。“4x4平滑”标签中的第一个“4”指的是前面讨论的跨天的平滑，第二个“4”指的是跨年的平滑……

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其次，CR的中位数建议无论如何都没有多大影响。下面是静态动图，显示了1869年(左)到2017年(右)与平均值/中位数之间的年度偏差…… 你可能认为它们是一样的。但是下载这两款软件，然后在它们之间快速点击。中位数“向上平移”了大约1/4^oC美元(我认为这是平均值/中位数的倾斜)，而且在一些地方形状略有不同。图。不管怎样，这里是对应的每帧一年(jan1-dec31从左到右)的动画……

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如果你想“玩”这些动画，我已经上传了一个静态链接的linux可执行程序
http://www.forkosh.com/ghcn.exe(忽略类似windows的。exe，它是Linux精灵)
我一直在用的。ly文件在
http://www.forkosh.com/USW00094728.dly
尽管你可以从原始问题中的GHCN链接中得到这个(以及其他无数的。dly文件)。(静态链接的ghcn.exe应该包括所有所需的库/版本，而不是你的特定linux发行版本机安装的，但这并不总是有效。但它确实可以在我的盒子上编译/链接，并在我的ISP的盒子上运行。)

它从命令行运行，最多有9个命令行参数…

/*——命令行参数(所有测试)——*/ int testnum = (argc>1?Atoi (argv[1]): 1);Char *file = (argc>2?argv[2]: "USW00094728. "海底”);/*CntrlPk*/ int msglevel= (argc>3?Atoi (argv[3]): 0);/*——测试#2的命令行参数——*/ char *types =(argc>4?argv[4]: "TMAX");/*"TMIN"，"TMAX"*/ int years =(argc>5?Atoi (argv[5]): 1869149); /* yyyyNNN */ int meankind =( argc>6? atoi(argv[6]) : 1 ); /*1=avg, 2=median*/ int ndlysmooth=( argc>7? atoi(argv[7]) : 2 ); /*smooth dly tmps*/ int nylysmooth=( argc>8? atoi(argv[8]) : 2 ); /*smooth yly tmps*/ double bigf =( argc>9? atof(argv[9]) : 4.0 ); /*max graph deg C*/

所以我典型的跑步是这样的……
./ghcn.exe 2 USW00094728。海底999年达峰时间186914924 4 4
你的前三个参数，2 USW00094728。海底999年应该总是相同的(除了.dly文件，如果你下载了一些其他文件)。第一个2为testnum是唯一的测试生成相关的gif。其他的(实际上只有一个)主要打印一些数据，用于对数据收集和选择函数进行单元测试。和999为msglevel将只打印几行，您可以忽略。

其余六个参数可以改变。你取代了我的达峰时间通过TMIN得到相应的动图。(我还没有考虑JT之前建议的包含几种ghcn元素“类型”的动图。)尝试任何其他ghcn元素“类型”(我还没有测试任何)将使用同样的0.1美元缩放因子应用于temps(尽管这很容易生成另一个arg)。

下一个参数是日期加-#年。我的1869149意思是从1869年开始，总共使用149年的数据，在本例中是指1869-2017年(这几乎是整个.dly文件)。的2年之后为CR的平均值/中位数，与1=的意思是,2=值。之后的三个数字，碰巧(但不一定)是一样的4 4 4在我的例子中，是(首先4)用于每日平滑的前后天数，以及(第二4) #天用于年平滑。0因为either/both意味着在这个“方向”上没有平滑。最后，最后一点4是图上显示的基线的$\pm$degreesC。

输出是三个文件:ghcn.gif, ghcn2.gif和(你猜对了)ghcn3.gif。第一个是逐年动画，第二个是逐日动画，最后一个是静态动图，显示了从第一年到去年的平均值/中位数的年平均偏差。