基于气候模式和资料同化技术的北半球近千年地表温度重建方法研究

北半球近千年地表温度资料是判断现代暖期的历史地位，认识过去气候变化的过程与机制以及预估未来气候变化和评估区域响应的重要科学基础。本项目拟结合历史气候代用资料统计分析方法和历史气候数值模拟方法，开展基于气候模式和资料同化技术的北半球近千年地表温度重建方法研究。在我国及美国和欧洲已有的树轮资料和气候模式的基础上，发展一种结合时空尺度分析和最优插值同化技术的古气候资料重建方法，将过去千年尺度中的树轮代用资料和气候模式模拟资料进行合理融合，为最终产生一套覆盖北半球区域、千年尺度的、具有较高时间连续性和空间协调性的网格化历史地表温度分析资料奠定科学和方法基础。本项目的研究，不仅可以直接为研究北半球气候在年代际到百年尺度上的变化规律提供基础数据，还能够进一步检验气候模式对我国和北半球区域过去气候变化的模拟性能，深化对人为气候变化和自然气候变率的科学认识，具有重要的科学价值和应用潜力。

北半球近千年地表温度资料对于认识过去历史时期气候变化的过程与机制以及预估未来气候变化和评估区域响应至关重要。本项目利用树轮代用资料和过去千年气候模拟结果，分别重建了北半球陆地平均地表温度变化时间序列（公元851-2000）、北半球过去800年地表温度空间格点数据集（公元1201-2000）、基于第五次耦合模式比较计划收录的7套过去千年北半球模拟结果与收集并筛选的树木年轮（681条）融合做出的5˚×5˚分辨率的过去千年地表温度距平数据集，以及基于单模式（CESM）的10个样本作为背景场的过去千年北半球模拟结果与筛选的树木年轮在多尺度分析下做出2˚×2˚分辨率的过去千年地表温度距平数据集。本项目研究分别从平均气候序列以及空间格点场信息重建的角度，提出两种具有创新性的重建方法，即：模态分解的方差匹配方法（MDVM）与模态逼近的经验函数正交分解重建方法（MAEOF）；同时，从多尺度分析角度对同化融合方法提出了进一步的改进，新方法除了可以给出地表气温在整个北半球过去千年尺度的变化之外，还可以进一步估计出在不同的尺度上的贡献（如年际、年代际、多年代际以及百年际）；一方面利用了树轮代用资料在高频上定年准确、气候响应显著的优势可以订正模式模拟因为内部变率所造成的高频结果的不准确性；另一方面，在长时间尺度上，可以较好地利用模式模拟出的气候系统对外强迫的响应来克服树轮代用资料对于低频信息记录能力较差的缺点。通过本项目的研究，我们认为，对于代用资料本身来说，多尺度分析可以明显提高代用资料的利用价值，相比于传统方法所分析重建的结果具有明显优势；同时多尺度分析下的融合方法研究进一步表明，树轮代用资料在较短时间尺度相对于较长时间尺度对于订正模式结果而言具有明显优势。本项目所作出的融合结果是一套具有千年尺度的、同时具有较高时间连续性和空间协调性的网格化地表温度分析资料。本项目所提出的方法研究是对结合代用资料与气候模式的初步尝试，不仅对于研究代用资料本身具有重要价值，还可对于研究代用资料与模式模拟结果从年际到百年际尺度上的信号匹配性提出了有价值的结论。另外，本项目所发布的数据，还能够用于检验气候模式对北半球以及不同区域过去气候变化的模拟性能，从而为更加深入地研究气候系统对外强迫响应提供重要依据，进一步深化对人类影响气候变化以及自然气候变率的科学认知。