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大气二氧化碳模拟和曲线拟合工具箱

作者:Mary Ann Branch,MathWorks和Russ Minkwitz,MathWorks


研究燃烧化石燃料对天气模式影响的一个常用测量方法是二氧化碳(CO2.)在大气中浓度。一些科学家认为CO的上行趋势2.水平可能导致大气温度升起,极地冰盖熔化,以及地球不同地区的气候变化。

由于该数据具有周期性现象以及上升趋势,因此非线性拟合技术是合适的,但与拟合线性模型相比,可能需要额外的努力。但是,使用正确的工具和数据知识,您可以快速确定非线性模型的系数。

本文描述了如何将非线性模型拟合到可用的CO2.数据使用最新发布的曲线拟合工具箱。

数据建模

在这个例子中,我们使用co2.在夏威夷的Mauna Loa天文台1979年至1996年,美国国家海洋和大气管理(NOAA)收集的数据。2..捕获的数据如下图所示。

曲线拟合工具箱中的曲线拟合工具可立即直观显示数据。通过使用数据提示功能,我们可以查询特定点。

自然界中的周期性现象可以用正弦波及其高次谐波来模拟,即,

A.KT / K.φ.K是K-Th谐波的幅度,时段和相位。正弦术语捕获季节性趋势,但持续向上趋势需要指数术语。通过在180年代中期检查世界全球化石燃料生产的记录,确定了这一数据的建议模型是

式中,t(时间)以年为单位,α约为0.0444/年,其他参数未知(包括所需的正弦数)2..

为了建立模型,我们转到曲线拟合工具箱的拟合GUI,创建一个带有一个正弦项的自定义方程。

由于时间值较大,我们可以选择将时间变量居中并缩放(去除平均值并除以标准偏差)的选项,以改善数值计算的条件。

在自定义公式面板中,我们输入α=0.0444,T=0.192(居中和缩放后一年的时间)的起始值,以及对其余参数的随机猜测(如下)。当拟合完成并绘制结果时,我们看到循环模式未匹配(左)
显示的结果表明,R平方值(拟合优度的度量)与1相差不太远,这意味着符合全局趋势,但不符合局部趋势。在这种情况下,正弦项的振幅太小。

炼制模型

我们可以通过几种方式改进此模型。首先,我们可以单独确定指数术语的系数。我们使用工具箱的内置指数模型,可自动计算来自数据的最佳起始点,

对该模型进行拟合,可得到d = 349.6.α= 0.02185.. 使用DAS作为正弦模式中的起始值,我们得到了一个与周期性的新契合良好。

这个最新型号的幅度大约是三个。我们可以在绘图上验证,这是1(左)的合理值。结果面板(下面)还显示了在系数值之后括号中的每个参数的置信区间。较小的置信区间暗示对参数值的置信度更多。除了B和D之外的所有参数的置信区间都很小,这可以指示B和D高度相关。现在我们可以绘制仍然显示循环正弦模式的残差,因此需要另一个正弦曲线术语。

现在我们可以绘制仍然显示循环正弦模式的残差,因此需要另一个正弦曲线术语。


单正弦模型的残差揭示了另一个正弦项(左)。对于两个谐波,拟合效果相当好(右)。我们可以轻松创建包含更多项的方程,检查每个拟合结果的残差,直到我们满意为止。

延长分析

当我们找到一个令人满意的模型时,我们可以将拟合结果发送到MATLAB工作区进行进一步分析。我们还有其他几个观测点要检查(例如萨摩亚、南极和巴罗)然后我们可以在循环中调用这个函数来自动拟合其他数据集,以查看结果模型在不同观测点之间的比较情况。

此示例涉及一些功能,这些功能将帮助您使模型适合数据。无论模型是线性模型还是非线性模型,“曲线拟合工具箱”使您能够快速拟合其库中的标准模型或创建的自定义模型。

用于复制GUI中创建的拟合和绘图的M文件代码可以从GUI文件菜单生成。M文件还显示了可在命令行使用以获得相同结果的工具箱命令。

发布2002年 - 91034V00

参考

  1. GLOBALVIEW-CO2,“合作大气数据集成项目-二氧化碳”(2001年)。[公众可访问ftp.cmdl.noaa.gov,路径:ccg/CO2/GLOBALVIEW]

  2. Kahner,D.,Moler,C.,Nash,S.,数值方法和软件,Prentice Hall(1989年)

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