王宏記　張冰松　楊代才

摘要：分析了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中關(guān)聯(lián)規(guī)則分析方法的原理和一般數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要步驟，通過收集、加工和處理大氣環(huán)流指數(shù)等大量信息，以湖北省汛期異常氣候現(xiàn)象為對(duì)象，使用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法試圖找出各物理量和氣象要素與未來一段時(shí)間內(nèi)湖北的汛期降水之間的關(guān)系。基于Apriori算法2013年針對(duì)湖北短期氣候預(yù)測(cè)，初步建立了一個(gè)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)配置、關(guān)聯(lián)挖掘和規(guī)則顯示等功能。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘；氣候預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）08-150-03

隨著通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，湖北省氣象局通過INTERNET網(wǎng)、部門交換、本地大氣探測(cè)等手段，特別是通過中國氣象局9210衛(wèi)星通信系統(tǒng)每天均能接收到越來越多的氣象數(shù)據(jù)資料，并通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫[1-6]對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了管理。但就氣象應(yīng)用特別是短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)而言，要在越來越堆積的數(shù)據(jù)中間找出有用的數(shù)據(jù)或帶有預(yù)測(cè)性質(zhì)的信息是一件非常復(fù)雜的事[7-9]。氣象預(yù)報(bào)通常需要使用大量的歷史氣象數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)和研究人員往往首先采用建立數(shù)據(jù)庫的方式，再從這些大量的數(shù)據(jù)中分析天氣的規(guī)律。湖北短期氣候的預(yù)測(cè)人員在實(shí)際業(yè)務(wù)中既要面對(duì)堆積如山的氣象數(shù)據(jù)，同時(shí)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法很難處理在時(shí)間和空間等多維度的信息，難以找到氣象數(shù)據(jù)屬性信息之間的內(nèi)部關(guān)系，基于這些原因，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于短期氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域，從一個(gè)新的角度對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在關(guān)聯(lián)模式挖掘的基礎(chǔ)上，找出部分物理量和未來的氣象要素之間氣候關(guān)系，解決長期困擾預(yù)報(bào)員面對(duì)海量氣象數(shù)據(jù)無法下手的情況，是氣象業(yè)務(wù)人員努力的一個(gè)方向。

數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining，簡(jiǎn)稱DM）就是要從大量的數(shù)據(jù)中挖掘或獲得實(shí)用信息的技術(shù)之一，雖然該技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間不長，但20世紀(jì)90年代以來發(fā)展速度很快。此外作為一個(gè)多學(xué)科交叉結(jié)合的一項(xiàng)技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘正好就是要從海量的數(shù)據(jù)中挖掘出可能有潛在意義信息的技術(shù)，這些信息可能為一些科學(xué)研究找到突破點(diǎn)；該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于氣象、網(wǎng)絡(luò)安全、電信、零售業(yè)以及保險(xiǎn)服務(wù)等行業(yè)[10-12]。筆者主要是探討數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在短期氣候預(yù)測(cè)中應(yīng)用的可能性，并提出一個(gè)適合于湖北短期氣候預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián)挖掘方案，建立了一個(gè)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘系統(tǒng)。

1 關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)分析

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘[13-14]是從大量的數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的描述數(shù)據(jù)項(xiàng)之間相互聯(lián)系的信息技術(shù)之一。通常關(guān)聯(lián)規(guī)則具有以下形式：

XY（S%，C%），即“X1∩X2∩…∩ XM→ Y1∩Y2∩…∩YN”；其中Xi（i∈{1，…，M}）和Yj（ j ∈{1，…，N}）均為屬性值，C%表示確信度（Confidence），S%表示支持度（Support）。支持度S%表示X和Y項(xiàng)集同時(shí)出現(xiàn)的概率，而確信度C%表示X項(xiàng)集出現(xiàn)的前提下Y項(xiàng)集出現(xiàn)的概率，兩者之間存在特定關(guān)系，Confidence（XY）= Support（Xi∪Yj）/ Support（Xi）。

如果將某區(qū)域氣候狀況看成屬性Y，而將前期多個(gè)氣象因素實(shí)況看成屬性X，就可通過設(shè)定支持度S，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)找到一些有用的關(guān)聯(lián)規(guī)則或聯(lián)系，這些規(guī)則具有用戶給定的支持度，這是非常有意義的。

2 數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的組成

2.1.1 數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫。它表示挖掘系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)表單或其他信息數(shù)據(jù)庫組成。一般需要使用數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)集成等操作過程，對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。它是負(fù)責(zé)根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)挖掘請(qǐng)求讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.1.3 知識(shí)庫。用于存放數(shù)據(jù)挖掘所需要的知識(shí)，這些知識(shí)將用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)挖掘的搜索過程，或用于幫助對(duì)挖掘結(jié)果的評(píng)估，如用戶根據(jù)預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)定義的閾值就是最簡(jiǎn)單的知識(shí)。

2.1.4 數(shù)據(jù)挖掘引擎。這是數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的最基本部件，它通常包含一組挖掘功能模塊，完成關(guān)聯(lián)分析或分類歸納、進(jìn)化計(jì)算和偏差分析等挖掘功能。

2.1.5 規(guī)則評(píng)估模塊。該模塊可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)助數(shù)據(jù)挖掘模塊更快地收斂到有意義的知識(shí)，該模塊能否與數(shù)據(jù)挖掘模塊有機(jī)結(jié)合，與數(shù)據(jù)挖掘模塊所使用的具體挖掘算法有關(guān)。

2.1.6 可視化用戶界面。該模塊幫助用戶與數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)本身進(jìn)行交互操作。一方面用戶通過該模塊可以將自己的參數(shù)或任務(wù)提交給挖掘系統(tǒng)，以及提供挖掘搜索所需要的相關(guān)知識(shí)；另一方面系統(tǒng)通過模塊向用戶展示或解釋數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果；此外該模塊還可以幫助用戶瀏覽數(shù)據(jù)對(duì)象內(nèi)容與數(shù)據(jù)定義模式、評(píng)估所挖掘出的模式規(guī)則，以及以多種形式展示挖掘出的模式規(guī)則。

2.2 數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)挖掘是屬于在線分析處理（OLAP）的高級(jí)階段，其數(shù)據(jù)分析能力遠(yuǎn)超過以數(shù)據(jù)匯總為主的在線分析處理功能，它能夠?qū)崿F(xiàn)來自多學(xué)科技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，這些技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、高性能計(jì)算、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)可視化、信息檢索分析等技術(shù)。目前較為成熟的“數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)”有很多，2012～2013年基于Apriori算法初步建立了一個(gè)基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘系統(tǒng)，建立了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫表、基于閾值的氣象知識(shí)庫、基于Apriori算法等方法的數(shù)據(jù)挖掘算法庫，初步實(shí)現(xiàn)了閾值調(diào)整、參數(shù)配置以及規(guī)則顯示等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 短期氣候預(yù)測(cè)方法分析 大約50年前，短期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)工作均還處在同一個(gè)水平上的業(yè)務(wù)工作，它們都是根據(jù)當(dāng)?shù)厍捌诘哪承?shí)況信息來預(yù)測(cè)未來的天氣變化，準(zhǔn)確率均不高。到了今天，因?yàn)闅庀笥^測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功，短期天氣預(yù)報(bào)工作已取得了巨大的成功，然而短期氣候預(yù)測(cè)水平還是很低，沒有一整套有效的方法。近幾十年來，業(yè)務(wù)工作人員還是進(jìn)行了大量的研究工作，有人提出“短波制約短期天氣，長波制約中期天氣，超長波制約長期天氣即短期氣候”的想法，多年的實(shí)踐和檢驗(yàn)表明，使用大氣中的波動(dòng)也沒法根本解決短期氣候預(yù)測(cè)問題。后來又有人又提出了三類短期氣候預(yù)測(cè)方法，一是事件相關(guān)統(tǒng)計(jì)法，就是從業(yè)務(wù)實(shí)際工作中注意到某2個(gè)事件先后出現(xiàn)的現(xiàn)象，采用常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行一段長序列時(shí)間的回算，發(fā)現(xiàn)它們的相關(guān)系數(shù)很高，于是用一個(gè)事件的發(fā)生來預(yù)測(cè)另一事件的發(fā)生。但往往這樣的聯(lián)系本身太少且找出的難度也很大。二是周期規(guī)律統(tǒng)計(jì)法，該方法認(rèn)為氣候變化的規(guī)律可能都隱藏在過去的氣候資料的長時(shí)間序列之中，人們可以采用各種常規(guī)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法去找到氣候資料時(shí)間序列中的“周期”等規(guī)律，從而做出短期氣候的預(yù)測(cè)。20世紀(jì)70年代開始，我國氣象部門開展了大量的常規(guī)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)工作，但其效果被不斷地證明是不理想的，業(yè)務(wù)人員經(jīng)過分析，認(rèn)為可能是這些方法的歷史擬合率很高，但往往應(yīng)用到實(shí)際預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)工作時(shí)，預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率均很低。這種現(xiàn)象表明常規(guī)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)的“周期規(guī)律”不一定是客觀存在的，數(shù)學(xué)方法可以證明的是，若干長度的氣候資料內(nèi)部本來沒有因果聯(lián)系，但通過計(jì)算機(jī)總是可以找到幾對(duì)相關(guān)系數(shù)很高的因子，該類方法可能只是數(shù)字的游戲。第三類是數(shù)值模式方法，20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外開展了短期氣候預(yù)測(cè)的數(shù)值模式方法研究，其基本理論框架與短期天氣預(yù)報(bào)是一樣，也是通過大氣動(dòng)力學(xué)方程組、海洋動(dòng)力學(xué)方程組以及熱力學(xué)方程，采用離散數(shù)學(xué)以及時(shí)間積分等技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬[15-17]，該方法被認(rèn)為可能是短期氣候預(yù)測(cè)工作的未來出路，然而40多年過去了，該方法的技術(shù)方案和應(yīng)用效果并不理想。筆者在此以湖北省汛期降水趨勢(shì)為對(duì)象，采用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析方法，探討該方法在湖北短期氣候業(yè)務(wù)中應(yīng)用的可行性。

3.2 對(duì)象選擇 短期氣候預(yù)測(cè)一般指月、季以及年際尺度的氣候預(yù)測(cè)，全年和汛期降水情況的預(yù)測(cè)是氣候預(yù)測(cè)中的重點(diǎn)之一。在此根據(jù)湖北省汛期趨勢(shì)預(yù)測(cè)的要求，從數(shù)據(jù)庫中選取了與數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)的數(shù)據(jù)，分析了湖北省1951～2005年的降水情況，分全年1～12月、汛期5～9月、夏季6～8月3個(gè)時(shí)段統(tǒng)計(jì)出5個(gè)最多雨年份和5個(gè)最少雨年份（表1），選擇其中汛期5個(gè)最多雨的年份為研究對(duì)象。

3.3 因子選擇 關(guān)聯(lián)規(guī)則分析方法中的因子選擇非常重要，結(jié)合短期氣候預(yù)測(cè)的實(shí)際情況，對(duì)業(yè)務(wù)工作中常用的數(shù)據(jù)和前人的研究成果進(jìn)行了分析。有人發(fā)現(xiàn)湖北異常氣象要素的變化與東海、西風(fēng)環(huán)流、極渦、南亞熱帶、天文因素等方面異常表現(xiàn)有一定關(guān)系。如張順利等通過對(duì)青藏高原多雪、少雪的合成分析和數(shù)值試驗(yàn)，討論了青藏高原對(duì)亞洲夏季風(fēng)和我國東部氣候的影響，結(jié)果表明，高原積雪多，亞洲季風(fēng)環(huán)流弱，亞洲夏季風(fēng)弱，副熱帶高壓弱，副高位置偏南，長江流域降水多，認(rèn)為這些因子一方面通過改變下墊面物理性質(zhì)引起大范圍持續(xù)時(shí)間較長的大氣環(huán)流變化，從而使得夏季有利于降水產(chǎn)生的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)，造成主要雨帶位置與強(qiáng)度不同[18]。隨著對(duì)災(zāi)害性氣候機(jī)理和預(yù)測(cè)研究的不斷深入，很多氣象專家和氣象工作者從不同的角度，采用多種統(tǒng)計(jì)方法分析了影響夏季降水的前兆因子[15，19-20]。

根據(jù)這些研究成果，結(jié)合關(guān)聯(lián)規(guī)則分析方法的實(shí)際需要，在此選取了北半球500 hPa月平均高度場(chǎng)、北半球100 hPa月平均高度場(chǎng)、北半球SLP月平均氣壓場(chǎng)、西北太平洋月平均海溫場(chǎng)、74項(xiàng)環(huán)流特征量、關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)、東亞季風(fēng)指數(shù)、阻高強(qiáng)度指數(shù)等因子，對(duì)湖北省汛期降水趨勢(shì)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)規(guī)則分析求解。

3.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，包括檢查數(shù)據(jù)的完整性及數(shù)據(jù)的一致性等，對(duì)其中的噪音數(shù)據(jù)（如缺測(cè)數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等）進(jìn)行質(zhì)量控制處理，對(duì)缺測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為有效形式，建立合適的數(shù)據(jù)模型。在此對(duì)選取的74項(xiàng)大氣環(huán)流指數(shù)以及5個(gè)關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)對(duì)應(yīng)多雨年、少雨年和多年的平均值進(jìn)行了編號(hào)和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)因子序號(hào)為0、1、2的因子，多年平均值在多雨年平均和少雨年平均值之間，且多雨年平均值大于少雨年平均值；因子序號(hào)為3、14、25等的因子表示歷史上有缺測(cè)資料，對(duì)這種情況按以上數(shù)據(jù)預(yù)處理的原則進(jìn)行了處理，即忽略對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)；因子序號(hào)為7、22、47的因子，多年平均值、多雨年平均以及少雨年平均值之間沒有規(guī)律，對(duì)這類數(shù)據(jù)項(xiàng)按缺測(cè)資料處理。

3.5 數(shù)據(jù)挖掘算法選取 Apriori算法是產(chǎn)生布爾關(guān)聯(lián)規(guī)則所需頻繁項(xiàng)集的基本算法，該算法是根據(jù)有關(guān)頻繁項(xiàng)集特性的先驗(yàn)知識(shí)而命名的。該算法利用了一個(gè)層次順序搜索的循環(huán)方法來完成頻繁項(xiàng)集的挖掘工作。這一循環(huán)方法就是利用k-項(xiàng)集來產(chǎn)生（k+1）-項(xiàng)集。具體做法就是：首先找出頻繁1-項(xiàng)集，記為L1 ；然后利用L1來挖掘L2，即頻繁2-項(xiàng)集；不斷如此循環(huán)下去直到無法發(fā)現(xiàn)更多的頻繁k-項(xiàng)集為止。每挖掘一層Lk就需要掃描整個(gè)數(shù)據(jù)庫一遍。

為提高按層次搜索并產(chǎn)生相應(yīng)頻繁項(xiàng)集的處理效率，Apriori算法利用了一個(gè)重要性質(zhì)，即一個(gè)頻繁項(xiàng)集中任一子集也應(yīng)是頻繁項(xiàng)集，來幫助有效縮小頻繁項(xiàng)集的搜索空間。

3.5.1 Apriori算法詳述。輸入：數(shù)據(jù)庫D；最小支持度閾值sup_min。輸出：D中的頻繁項(xiàng)集L。

4 小結(jié)

采用Apriori算法，在設(shè)定最小支持度0.65以上的情況下，對(duì)湖北多降水年進(jìn)行了求解；求解過程中通過數(shù)據(jù)劃分的方法來減少了I/O次數(shù)，即對(duì)74項(xiàng)氣象環(huán)流指數(shù)數(shù)據(jù)集劃分為3個(gè)邏輯數(shù)據(jù)塊，找出局部頻繁項(xiàng)目集，然后將所有局部頻繁項(xiàng)目集合并為全局頻繁項(xiàng)目集上，在支持度0.65時(shí)找到了幾組關(guān)聯(lián)規(guī)則，如A（75，77）B（1），顯示前一年因子75和77即關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)的第1和3項(xiàng)達(dá)到閾值即可認(rèn)為第二年為多雨，其物理含義是：黑潮區(qū)和西風(fēng)漂流區(qū)海溫偏低，預(yù)示第二年湖北為多雨年。湖北省氣象局開發(fā)了一個(gè)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了因子錄入、對(duì)象數(shù)據(jù)錄入、閾值設(shè)置和規(guī)則可視化顯示等功能，系統(tǒng)在2013～2014年的應(yīng)用中效果良好。當(dāng)降低支持度為0.62時(shí)，輸出規(guī)則多達(dá)2 000條以上，由于其規(guī)則表述較為復(fù)雜，且物理意義尚不清楚，文中沒有列出，需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

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