建筑氣候數(shù)據(jù)的平穩(wěn)化處理與缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)充

趙婧 閔鵬 張珊珊 趙舵

（1.中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 北京 100053 2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100120 3.西安建筑科技大學(xué) 陜西西安 710055）

為了節(jié)能降耗，建筑師們?cè)诮ㄖO(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)ㄖ膳?、通風(fēng)、防凍和避雨等因素的影響，這必然要將歷年來(lái)觀測(cè)的大量氣候數(shù)據(jù)作為研究和設(shè)計(jì)的依據(jù)。然而，氣象站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)往往不完整，需要采用一定的方法進(jìn)行補(bǔ)充[1]。

本文選取我國(guó)476個(gè)氣象站點(diǎn)近33年的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)（每天4次或8次定時(shí)數(shù)據(jù)）為研究對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常剔除、插值補(bǔ)充、平穩(wěn)化處理，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理模型

1.1 數(shù)據(jù)采集與異常剔除

世界氣象組織規(guī)定，分析某一地區(qū)的氣候特征，一般需要這一地區(qū)最少30年的氣象數(shù)據(jù)。本文研究選取我國(guó)476個(gè)氣象站點(diǎn)1981年1月1日～2013年12月31日近33年的氣象數(shù)據(jù)為研究對(duì)象。

由于各站點(diǎn)的條件不同，不同時(shí)間段要求不同，每一站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)有每日四次定時(shí)數(shù)據(jù)（0時(shí)，6時(shí)，12時(shí)，18時(shí)），還有每日八次定時(shí)數(shù)據(jù)（0時(shí)，3時(shí)，6時(shí)，…，21時(shí)）等。

本文采集到的各站點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：

X1——干球溫度。即離開地面1.5m處的空氣溫度，取值單位為0.1℃；

X2——露點(diǎn)溫度。即大氣壓力一定，空氣含濕量一定的情況下，未飽和空氣因冷卻而達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，單位取0.1℃；

X3——太陽(yáng)輻射。即水平面上立體角內(nèi)所接收到的太陽(yáng)直射和太陽(yáng)散射之和，單位為MJ/m2；

由于條件的限制，某些站點(diǎn)創(chuàng)建比較晚，數(shù)據(jù)較少或缺失量較大（如上海的某些站點(diǎn)），故本文首先去除了部分站點(diǎn)，選取的有效站點(diǎn)共有476個(gè)。

對(duì)于所選取的站點(diǎn)，常常有個(gè)別數(shù)據(jù)異?；蛎黠@超過(guò)了正常的取值范圍。為了研究結(jié)果的可靠，本文剔除了這些異常數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)補(bǔ)充

對(duì)于剔除掉的或缺失的干球溫度、露點(diǎn)溫度和太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)，本文采用插值方法進(jìn)行處理。首先對(duì)于正常數(shù)據(jù)根據(jù)每日所測(cè)的各種數(shù)據(jù)（如干球溫度、露點(diǎn)溫度和太陽(yáng)輻射等）計(jì)算出每日的日均值。如果某日的數(shù)據(jù)缺失，而該日前后兩日的數(shù)據(jù)正常，則采用前后兩日的數(shù)據(jù)作插值；如果前后兩日的數(shù)據(jù)也缺失，則采用前后兩相鄰年同日的數(shù)據(jù)作插值。經(jīng)過(guò)這樣處理，大部分缺失的數(shù)據(jù)可以得到有效補(bǔ)充。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)插值，雖然可以獲得各站點(diǎn)比較完整的干球溫度、露點(diǎn)溫度和太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)序列。但作為時(shí)間序列，這些數(shù)據(jù)的隨機(jī)性較大或含有噪聲，不能反映氣候條件的本質(zhì)特征（如圖1）。

圖1 平穩(wěn)化前的干球溫度

為了消除噪聲，我們對(duì)這些數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時(shí)間序列分析。

1.3 數(shù)據(jù)的平穩(wěn)化處理

利用保時(shí)線性濾波器[2]

對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平穩(wěn)化處理（本文取S=7），抑制噪聲。經(jīng)過(guò)平穩(wěn)處理后的數(shù)據(jù)序列可得到明顯改善，能反映氣候變化的本質(zhì)特征，同時(shí)還能進(jìn)一步補(bǔ)充插值法沒(méi)有補(bǔ)全的缺失數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)得到完善（如圖2）。

圖2 平穩(wěn)化后的干球溫度

2 模型計(jì)算與處理

2.1 原始?xì)庀髷?shù)據(jù)的讀入

由于各站點(diǎn)的條件不同，不同時(shí)間段當(dāng)時(shí)的要求不同，每一站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)有每日四次定時(shí)數(shù)據(jù)（0時(shí)，6時(shí)，12時(shí)，18時(shí)），還有每日八次定時(shí)數(shù)據(jù)（0時(shí)，3時(shí)，6時(shí)，…，21時(shí)）等。所有氣象數(shù)據(jù)的格式均為文本文件（.txt）。以下以第436號(hào)站點(diǎn)（站點(diǎn)編碼為58847）為例，其結(jié)構(gòu)如表1所示（其中干球溫度和露點(diǎn)溫度的單位均為0.1℃），本文采用MATLAB編程方式讀入并對(duì)其進(jìn)行加工處理。

2.2 數(shù)據(jù)剔除與補(bǔ)充

經(jīng)過(guò)對(duì)異常數(shù)據(jù)的剔除，缺失數(shù)據(jù)的插值補(bǔ)充，我們可獲得每個(gè)站點(diǎn)每日的日均干球溫度、露點(diǎn)溫度和太陽(yáng)輻射（如表1圖1）。

表1 插值后某站點(diǎn)的干球溫度（單位為0.1℃）

2.3 數(shù)據(jù)的平穩(wěn)化處理

為了消除噪聲，我們對(duì)獲得的每個(gè)站點(diǎn)日均干球溫度、露點(diǎn)溫度和太陽(yáng)輻射用保時(shí)線性濾波器（1）進(jìn)行降噪處理，經(jīng)過(guò)平穩(wěn)化處理后的時(shí)間數(shù)據(jù)序列可得到明顯改善（如表2圖2）。

通過(guò)上述計(jì)算，我們獲得了476個(gè)氣象站點(diǎn)1981年～2013年33年的反映氣象本質(zhì)特征的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

表2 平穩(wěn)化后某站點(diǎn)的每日的干球溫度（單位為0.1℃）

[1]李百戰(zhàn)，田勝元．用樣條函數(shù)構(gòu)成室外逐時(shí)溫度的插值方法及其誤差估計(jì)[J]．重慶建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，12（2）：24～29．

[2]潘紅宇．時(shí)間序列分析[M]．北京：對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)出版社，2006.