天山山区气候资料重建及其不确定性研究

Global warming in the 20th century has been a hot research issue in the community of climate for decades, which is an important support for understanding climate change scientifically. However, shortage of climatic data has caused various problems such as uncertainty of research results. To solve these problems, the Tianshan Mountainous Area, is selected as a typical representative, and the following points will be investigated in this project: (1) based on assessing the relationships between existing station data from the Tianshan Mountainous Area and multiple sources data including station data from Central Asia, the monthly grid climatic data from Climatic Research Unit (CRU), the Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5 (CMIP 5) and General Circulation Models (GCMs) dataset, the historical monthly average temperature (MAT) and monthly accumulated precipitation (MAP) time series (TS) in the Tianshan Mountainous Area during 1901-1960 will be constructed by means of a series of approaches such as the Delta, Canonical Correlation Analysis(CCA) or the Three-Layered Feed Forward Neural Network with back propagation algorithm (TLBP-FFNN); (2) the uncertainty of climate reconstruction will be discriminated based on set pair analysis (SPA) qualitatively and quantitatively. (3) The reconstructed MAT and MAP data with high accuracy and the recorded data will be integrated and linked. And based the linked TS, the climate change and variation during 20th century in the Tianshan Mountainous Area will be analyzed. This work is hope to provide a viable reference for short-term climate reconstruction and assessment for the Tianshan Mountainous Area. It may also support the data and methodology for studying climate change and its impact during 20th century in the similar regions where are lack of climatic data.

20世纪器测时期以来，我国西北干旱区气象台站稀少且时空分布不均，气候资料缺失现象严重，这一问题严重降低了20世纪百年尺度气候变化的评估能力及其影响研究。天山山区是此类现象的典型代表。因此，本项目拟选取天山山区为研究区，进行如下研究：（1）运用可收集的中亚气象站点资料、CRU、CMIP5和部分GCM历史时段格点资料及天山山区气象站点实测资料，对天山山区20世纪前半叶气象站点资料进行短期历史重建；（2）结合集对分析的理论与方法，对区域气候资料重建的不确定性进行定性和定量分析；（3）借助重建的高精度资料和实测资料所链接的站点气候时间序列，对天山山区20世纪百年尺度变异特征进行分析。本项目旨在弥补干旱区气候资料的短缺和有效评估并降低气候资料重建的不确定性，从而为缺资料地区中短期气候变化评估以及影响研究提供重要的数据支持和理论保障。

20世纪器测时期以来，我国西北干旱区气象台站稀少且时空分布不均，气候资料缺失现象严重，这一问题严重降低了20世纪百年尺度气候变化的评估能力及其影响研究。天山山区是此类现象的典型代表。基于此，本项目选取了天山山区作为研究区进行了如下研究：（1）基于可收集的时间覆盖为1901-2000年的CRU格点资料、时间覆盖为1850-2000年的CMIP5格点资料及天山山区时间覆盖为1961-2010年的50余个实测气象站点资料，采用了三种重建方法，Delta、SP和ANN方法，对天山山区1961-2000年的月平均气温（MAT）和月累积降水（MAP）进行了率定和验证；基于率定和验证好的三种方法对1901-1960年或1850-1960年的MAT和MAP进行了短期历史重建；（2）结合改进的集对论分析方法和传统精度评价指标，对上述率定和验证过程中产生的不确定性进行了定性和定量分析；（3）集成上述重建资料和实测站点资料所链接的气象站点百年尺度时间序列资料，对天山山区20世纪百年尺度变异特征进行了分析。结果表明不同的数据源和不同的重建方法会产生不同的精度和不确定性。传统精度评价指标评价结果表明率定和验证时期的53个气象站的MAT和20个气象站的MAP时间序列获得了满意的精度。然而改进的集对分析方法有不同的评价结果。改进的集对论分析表明并不是传统精度指数评价方法评出的所有满意重建时间序列都具有较低的不确定性。大部分重建的MAT和部分MAP能够获得满意的年周期分布和整体格局特征，但是在某一误差范围内的数值精度还无法保证。基于两种数据源的重建资料和实测资料链接的年平均气温时间序列均存在显著的增暖趋势，部分站点MAT时间序列在90年代中期发生突变。而MAP时间序列的增减趋势不统一，部分站点出现增湿趋势，部分站点出现转干趋势，且突变年份跨度较大，部分站点较为统一的突变年份固定在上世纪80-90年代。本项目旨在弥补干旱区气候资料的短缺和有效评估并降低气候资料重建的不确定性，从而为缺资料地区中短期气候变化评估以及影响研究提供重要的数据支持和理论保障。