Как студент-математик собирает данные о парниковом эффекте

Что случилось с погодой?

Задача
Чтобы использовать метод статистического анализа, скользящее среднее, для поиска значимых тенденций в необработанных региональных данных о температуре.

• копия раздаточных материалов для учащихся "Температурные тренды"
  Часть I (PDF или —>HTML)
  Часть II (PDF или —>HTML)
  График температуры (PDF или —> HTML)
• карандаш
• желтый, синий, зеленый и красный карандаши, фломастеры или мелки
• ножницы
• лента
• калькулятор

1. Разделите класс на 10 групп, по одной на каждый год данных.
2. Раздать обе части 1 Температурные тренды и раздаточный материал для учащихся «Температурный график» с другими материалами. Попросите студента обсудить необработанные данные перед построением графика.
3. Запишите их наблюдения на доске.
4. Попросите каждую группу составить график данных за свой год, используя данные о среднемесячных температурах и диаграмму, предоставленную в раздаточных материалах для учащихся части 1 «Тенденции температуры». После того, как они начертят годовые данные в виде графика, попросите учащихся вырезать свои графики и временно склеить их скотчем, охватывая период с 1989 по 1998 год.
5. Повесьте склеенные вместе графики на стену или пол. Предложите учащимся наблюдать за любыми тенденциями. Добавьте эти наблюдения к первоначальным наблюдениям на доске.

1. Теперь учащиеся построят 12-месячную скользящую среднюю. Раздайте учащимся раздаточный материал для части 2 «Температурные тренды».Возможно, вам придется помочь учащимся с инструкциями в этой части.
2. Демонстрируйте алгоритм до тех пор, пока учащиеся не смогут самостоятельно вычислять скользящие средние. Учащиеся поймут, что могут нанести на собственный график только свои первые семь средних значений с июня по декабрь. Они должны нанести следующие пять средних значений на график группы следующего года, с января по май. Группа предыдущего года заполнит свой график средними значениями за январь-май.
3. Группа, работающая над последним годом, имеет достаточно данных только для расчета одной скользящей средней — июня.
4. После того, как учащиеся закончили свои скользящие средние, обсудите с ними результаты. Что они видят в данных сейчас? Чем это отличается от того, что они вывели из предыдущего метода построения графиков? Что говорит им каждый метод построения графика? Каково значение скользящей средней?

На созданном учащимися графике будут показаны температуры выше и ниже линии средней температуры выбранного набора данных. Ниже представлены суммы скользящих средних за каждый месяц. Составление январских сумм начинается в июне. (Примечание. Строго говоря, построение графика скользящего среднего начнется точно в центральной точке набора данных; однако, поскольку 12 месяцев — это четное число, а у среднего значения за 12 месяцев не может быть «центрального месяца», июнь был выбрана в качестве отправной точки для построения средних значений.)

12-месячная скользящая средняя для Бостона, январь 1989 г. – декабрь 1998 г.*

Ян
февраль
март
апр
Май
июнь
июль
авг
сен
октябрь
ноябрь
декабрь

* Средние значения, показанные в этой таблице, были рассчитаны с использованием распространенной методики округления числа 5 путем увеличения следующего более высокого разряда на 1.

Визуальный результат построения графика среднемесячной температуры с линией скользящей средней температуры за 12 месяцев впечатляет. Набор данных из Бостона дает некоторые дразнящие намеки на месячном графике, что могут происходить некоторые циклические изменения температуры, но они оказываются неубедительными в тренде скользящего среднего. Скользящее среднее — это скользящее среднее всего, что изучается.В этом упражнении непрерывное усреднение кластера данных (10-летний период температурных записей) дает более содержательную информацию о трендах температуры, чем один набор данных (однолетний период ежемесячных температурных записей). Отдельный набор данных с большей вероятностью будет содержать флуктуации, которые не проявляются в более широком анализе тенденций.

Большинство студентов придут к выводу, что при рассмотрении результатов в тренде скользящего среднего значения не так уж много. Некоторые могут привести доводы в пользу трех-четырехлетнего цикла небольших изменений. Однако данные на этом графике сами по себе не являются убедительными, поскольку он показывает информацию только за 10 лет. Студенты могут предположить, что, оглянувшись назад и создав скользящее среднее за последние 100 лет, они смогут подтвердить эту тенденцию. Однако это открывает вопрос о том, является ли прошлое надежным предсказателем будущего.

Другие области применения включают анализ экономики, уровня безработицы, осадков, пыльцы, речного стока, температуры морской воды, интенсивности движения и подол платья.

Глобальное потепление Дженни Тезар, Нью-Йорк: факты в файле, 1991.
Описывает парниковый эффект, влияние деятельности человека на глобальные уровни углекислого газа и озона, а также шаги, которые можно предпринять для замедления темпов глобального потепления и разрушения озона.

Парниковый эффект: жизнь на более теплой планете Ребекка Л. Джонсон, Миннеаполис, Миннесота: Lerner Publications Company, 1990.
Описывает науку о том, как работает атмосфера Земли, определяет газы, способствующие глобальному потеплению, и то, как деятельность человека вызывает изменение глобального климата, а также предлагает способы замедлить темпы глобального потепления.

Глобальное потепление: противоположные точки зрения Дэвид Бендер и Бруно Леоне, изд., Сан-Диего, Калифорния: Greenhaven Press, Inc., 1997.
Предлагает противоположные точки зрения на многие проблемы глобального потепления, включая причины глобального потепления, серьезность угрозы и возможные последствия изменения климата.

NOVA Online — глобальное потепление
http://www.pbs.org/nova/warm/
Погружается глубже в содержание и темы программы, с такими функциями, как статьи, хронология, интервью, интерактивные действия, ссылки на ресурсы и многое другое. Дата запуска: пятница, 14 апреля.

Информационное бюро США по исследованию глобальных изменений
http://www.gcrio.org/index.html
Содержит общую информацию, ресурсы и ссылки на другие организации, занимающиеся глобальными изменениями. Также включает службу электронной почты Ask Dr. Global Change, куда вы можете отправлять вопросы о глобальных изменениях окружающей среды.

Упражнение «Температурные тренды» соответствует следующим Национальным стандартам естественнонаучного образования:

Научный стандарт А:
Наука как исследование

Способности, необходимые для проведения научных исследований

• Используйте соответствующие инструменты и методы для сбора, анализа и интерпретации данных.
• Используйте математику во всех аспектах научных исследований.

Математический стандарт 10:
Статистика

Научный стандарт А:
Наука как исследование

Способности, необходимые для проведения научных исследований

• Используйте технологии и математику для улучшения исследований и коммуникации.
• Формулировать и пересматривать научные объяснения и модели, используя логику и доказательства.

Математический стандарт 10:
Статистика

Что случилось с погодой?

Оригинальная трансляция:
18 апреля 2000 г.

Измерение температуры Земли
Посмотрите этот видеофрагмент «Область учителей» (4 мин 39 с), чтобы узнать больше об исследователях, собирающих данные о температуре для изучения изменения климата.