基于集合卡尔曼滤波的土壤水分同化变权实验研究

将集合预报成员不等权重思想与集合卡尔曼滤波(EnKF)同化方法相结合,利用集合成员的离散度作为权重因子,对EnKF算法优化后的集合成员采用不等权重取平均值,作为同化后的预报值。首先检验了集合离散度和预报误差的相关性,证明将集合离散度作为权重因子的可靠性;利用一个水文过程模型(DHSVM)和实测数据进行了土壤水分的同化变权实验,对EnKF分析和更新后产生的土壤水分集合,分别采用算术平均和变权平均的方法,计算土壤水分预报结果并进行比较。实验表明,集合变权平均法可以进一步提高同化的预报效果。     

利用树木年轮重建阿勒泰地区1572—2014年初夏平均温度

利用阿勒泰地区3个高海拔西伯利亚落叶松(Larix sibirica)采样点的树轮样本,建立树轮宽度区域标准化年表(DKH)。通过相关普查发现,DKH年表与阿勒泰地区7个气象站当年6月平均温度显著相关,相关系数为0.705(P<0.00001),表明6月平均温度是影响树木年轮径向生长的主要气候限制因子。用DKH年表可较好地重建该地区1572-2014年共443 a的初夏平均温度,解释方差达49.6%,经验证表明温度重建序列是可信的。温度变化特征分析表明:重建初夏温度经历了10个偏暖和9个偏冷阶段,其中1605-1622年和1682-1723年分别是最暖和最冷的阶段,1875-1913年和1753-1804年分别是持续时间最长的偏暖和偏冷阶段。存在2.37~2.39 a、2.19 a的显著周期(P<0.05)和73.50 a、14.00 a、7.30 a、2.29 a、2.21 a的较显著周期(P<0.10)。在1684年、1719年前后均出现了由冷转暖的突变。空间相关分析表明文章重建的温度序列对阿勒泰地区温度具有较好的空间代表性。本研究重建的初夏温度序列与阿勒泰西部5-9月平均温度和阿尔泰山南坡温度序列相比较,具有较好的一致性。     

过去2000a中国和北半球温度变化及其外部强迫因子重建研究进展北大核心CSCD

对过去2 000a气候变化的研究是解决20世纪气候变暖归因问题的关键途径之一,近年来取得了重要进展。从北半球和中国区域温度变化重建、外部强迫变化及其对温度影响等方面回顾了过去2 000a气候变化的研究历程,论述了代表性的研究成果并总结了新的科学认识。主要认识有:(1)在十年至百年尺度上,过去千年北半球中高纬地区的夏半年温度变化基本同步;(2)在百年尺度上,太阳活动在北半球温度变化中可能扮演了重要角色,而在年际到十年尺度上火山活动是北半球温度变化的主要驱动因子,但频繁的大型火山喷发事件也会造成百年尺度上气候冷暖平均态的转变;(3)温室气体是工业革命以来气候变暖的主导因素之一,但其中的年代际波动受到气候系统内部变率的影响。今后,将模拟与重建结果结合起来量化各驱动因子对气候变化的影响,进而揭示气候变化的机制是过去2 000a气候变化研究的热点。     

北半球春季植被NDVI对温度变化响应的区域差异

利用1982年到2000年的探路者NDVI资料，采用奇异值分解分析方法，研究北半球春季NDVI对温度变化响应的空间差异，前7对模态对总的协方差平方的解释率高达91％以上，反映出NDVI和气温的相关性非常高，第一对模态解释率达42．6％，显示北半球最显著的NDVI响应中心在西西伯利亚，其次是北美大陆，中心在其中东部，第三对及以后的模态反映的是次一次的空间特征，分析表明这些NDVI一温度的耦合模态受大尺度的大气环流系统的显著影响，9个重要的大气环流指标能解释整个北半球NDVI方差的55．6％，其中对欧洲、北美东南部，北美西北部，亚洲高纬以及东亚地区的影响最突出，因此，研究未来植被生态系统对全球变化响应的区域特征时，必须要考虑到这些环流系统的可能变化及其影响。     

过去2000a中国和北半球温度变化及其外部强迫因子重建研究进展

对过去2 000a气候变化的研究是解决20世纪气候变暖归因问题的关键途径之一,近年来取得了重要进展。从北半球和中国区域温度变化重建、外部强迫变化及其对温度影响等方面回顾了过去2 000a气候变化的研究历程,论述了代表性的研究成果并总结了新的科学认识。主要认识有:(1)在十年至百年尺度上,过去千年北半球中高纬地区的夏半年温度变化基本同步;(2)在百年尺度上,太阳活动在北半球温度变化中可能扮演了重要角色,而在年际到十年尺度上火山活动是北半球温度变化的主要驱动因子,但频繁的大型火山喷发事件也会造成百年尺度上气候冷暖平均态的转变;(3)温室气体是工业革命以来气候变暖的主导因素之一,但其中的年代际波动受到气候系统内部变率的影响。今后,将模拟与重建结果结合起来量化各驱动因子对气候变化的影响,进而揭示气候变化的机制是过去2 000a气候变化研究的热点。     

基于DEM的中国陆地多年平均温度插值方法

以1961~2000年全国726个气象站点旬平均温度为基础数据,在分析了多年月平均温度和年平均温度的空间分布与经度、纬度、高度的内在关系后,提出了一种基于DEM和智能搜索距离的温度空间插值方法(SSI),并与反距离平方(IDS) 等传统方法进行了对比。交叉验证结果表明:1) 传统的IDS方法最优结果的MAE范围是1.44 oC~1.63 oC,平均1.510C;而SSI温度插值方法的平均绝对误差为0.53 oC~0.92 oC,平均值0.69 oC,精度超过IDS等方法一倍以上。2) 随着距离的增大,站点间温度的相关性逐渐降低,会降低估算精度;小于一定的搜索半径,被估算点周围的相邻站点的数目逐渐减少,同样会降低插值的精度,因而对中国陆地部分温度插值而言,最优的空间插值搜索半径介于150~250 km之间。最后,结合DEM数据,生成了0.1o ×0.1o中国陆地区域多年月平均和年平均温度栅格图像数据集,该结果表明:利用SSI方法不仅可以生成高精度、高空间分辨率的网格温度结果,而且其插值结果能客观细致的反映温度随经度、纬度和高度梯度变化的地带性特征。     

哈萨克斯坦东北部310年来初夏温度变化的树轮记录

在哈萨克斯坦东北部的阿尔泰山南坡,位于森林上限的西伯利亚落叶松的树轮宽度对生长季初期温度敏感,且在近年来气候变暖的背景下对温度的响应较为稳定,可以作为该区域温度变化的良好替代材料.利用森林上限区的树轮资料,从树轮宽度中提取初夏温度信息,建立了树轮宽度年表与卡通卡拉盖气象站6月平均温度的转换方程,重建了这一区域310年来的初夏温度变化历史,重建方程的方差解释量达到42.7％.由于校准期较长,利用独立检验方法对重建方程进行检验,各项检验的参数表明重建方程是稳定可靠的.重建序列与相邻的中国阿勒泰地区西部和阿尔泰山北坡树轮反映的温度变化序列的冷暖阶段是一致的,其中19世纪的温度波动较为明显,持续时间最长的冷期(1842-1871年)和暖期(1872-1906年)都出现在这个阶段.重建温度序列存在11a左右的周期,与太阳活动的周期一致.     

雅鲁藏布江流域不同源降水数据质量对比研究

本文以雅鲁藏布江流域为研究区,利用13个气象站点的实测降水量数据在年和月尺度上验证了中国地面降水网格数据、CRU(Climatic Research Unit)降水数据和GLDAS(Global Land Data Assimilation System)降水数据的精度,并分析了不同源数据降水量年际变化特征和概率分布特性之间的差异。结果表明：4种不同来源的降水数据均存在一定程度的差异。年尺度和月尺度上中国地面降水网格数据与实测降水量数值最接近;而CRU降水数据和GLDAS降水数据与实测降水量相差较大,在使用时需谨慎。从空间差异性看,年尺度上CRU降水数据在每个站点与实测降水数据的相关性均高于GLDAS降水数据,说明前者的空间一致性较好,但相对误差却比GLDAS降水数据大。从年内变化趋势看,中国地面降水网格数据能较好地反映流域降水月尺度的变化特征,CRU降水数据则在流域大部分地区的汛期时段都存在明显的高估,而GLDAS数据无法反映月降水变化趋势,年内坦化现象十分显著。从年际变化特征看,中国地面降水网格数据能较好地反映实际降水量的年际变化特征,而GLDAS降水数据和CRU降水数据反映的降水量年际变化特征偏小,其中GLDAS数据的坦化现象更严重,会高估低降水值,低估高降水值。从降水概率分布情况来看,3种来源的降水数据均不能反映站点实测的极端降水事件。     

内蒙古羊草草原物候及其对气候变化的响应

为了有效分析内蒙古羊草草原的物候及其对气候变化的响应,基于NOAA归一化差值植被指数(NDVI)时序数据,利用S-G滤波拟合方法对原始NDVI时序数据进行了重建,然后采用滑动平均法对重建后的NDVI数据进行了物候期识别,利用地面物候观测数据对识别结果的验证结果表明,"S-G滤波+滑动平均法"识别的物候期与地面物候观测结果具有较好的一致性。在此基础上,获取了各气象站点的物候期及其生长季长度,结合气候数据进行物候期和生长季长度对气候变化的响应分析显示,返青期呈提前趋势,主要与当年春季温度升高和前一年10月到当年4月的累积降水量增加相关;黄枯期呈提前趋势,主要与当年8月份温度升高相关;生长季长度呈延长趋势,主要是由返青期提前的幅度较黄枯期提前幅度更大所致。     

沙尘暴EOS/MODIS监测指数模型

利用EOS/MODIS数据,采用最佳波段组合指数法和方差-协方差矩阵特征值法,从36个MODIS波段中筛选出用于沙尘暴图像最佳彩色合成增强的最佳组合波段。在敏感性差异分析的基础上应用波段数学组合的方法建立了沙尘暴判识的条件:构建了提取沙尘暴区域范围和强度等级信息的沙尘暴卫星遥感监测指数SVI(Sand storm value index),利用指数SVI值的大小对沙尘暴进行了等级的定级和分类。     

TEMPERATURE PROXY RECORDS COVERING THE LAST TWO MILLENNIA: A TABULAR AND VISUAL OVERVIEW

Proxy data are our only source of knowledge of temperature variability in the period prior to instrumental temperature measurements. Until recently, very few quantitative palaeotemperature records extended back a millennium or more, but the number is now increasing. Here, the first systematic survey is presented, with graphic representations, of most quantitative temperature proxy data records covering the last two millennia that have been published in the peer-reviewed literature. In total, 71 series are presented together with basic essential information on each record. This overview will hopefully assist future palaeoclimatic research by facilitating an orientation among available palaeotemperature records and thus reduce the risk of missing less well-known proxy series. The records show an amplitude between maximum and minimum temperatures during the past two millennia on centennial timescales ranging from c. 0.5 to 4°C and averaging c. 1.5–2°C for both high and low latitudes, although these variations are not always occurring synchronous. Both the Medieval Warm Period, the Little Ice Age and the 20th century warming are clearly visible in most records, whereas the Roman Warm Period and the Dark Age Cold Period are less clearly discernible.     

北半球千年温度集成重建所使用的代用序列述评——以石笋为例

充分掌握过去全球气候变化的规律,是分析现在全球气候变化的关键。为了重建近2 000 a的全球（主要是北半球）的温度时空格局,Mann使用了1 209条代用序列。主要评价Mann等在重建中世纪暖期以来（公元800年以来）全球（主要是北半球）的温度时空格局时,所使用的46条代用序列中的8条石笋序列。其中北半球的序列（6条）要多于南半球的序列（2条）。通过对所选石笋序列的文献检索和科学评估,认为Mann等最初选用的8条石笋序列和筛选后剩余的6条石笋序列并非都代表温度信号,其中只有两条序列是原作者认为代表温度信号的,代表降水量信号的序列要多于代表温度信号的序列。所以Mann等选用这些序列重建温度有待商榷。由于石笋代用指标本身的复杂性,其气候指示意义仍然存在争议。     

Fusing pollen-stratigraphic and dendroclimatic proxy data to reconstruct summer temperature variability during the past 7.5?ka in subarctic Fennoscandia

A new palaeoclimatic reconstruction of mid-summer (July) temperatures for the last 7.5?ka in northern Fennoscandia is presented. It is based on two botanical proxies: spectra of fossil pollen and tree rings of Scots pine logs recovered from lacustrine sediments in the Arctic tree-line region. A newly developed method of proxy fusion is used to integrate the proxy-specific reconstructions of past summer temperature variability based on the pollen-stratigraphic and dendroclimatic data. The rationale behind the method is that the two proxies are likely to be connected to climate variability in a timescale-dependent fashion and, accordingly, the new reconstruction makes use of the low- and high-frequencies from pollen-stratigraphic and tree-ring data, respectively. The most prominent features of the new reconstruction are: (1) the long-term decline of temperatures by 2.0?°C over the past 7.5?ka, (2) the mid-Holocene warmth culminating between 5 and 4?ka as a deviation from the cooling trend, (3) the Little Ice Age cool phase between 0.7 and 0.1?ka, and (4) the subsequent warming during the past century. These periods are superimposed on year-to-year variations in climate as dated to calendar-year accuracy by dendrochronology. Within the modern period, the years 1934 and 1937 are among the warmest, and the years 1903 and 1910 are among the coldest summers in the context of the past 7.5?ka. On average, the reconstructed Holocene climate was approximately 0.85?°C warmer than the twentieth century.     

A NEW RECONSTRUCTION OF TEMPERATURE VARIABILITY IN THE EXTRA‐TROPICAL NORTHERN HEMISPHERE DURING THE LAST TWO MILLENNIA

A new temperature reconstruction with decadal resolution, covering the last two millennia, is presented for the extratropical Northern Hemisphere (90–30°N), utilizing many palaeo‐temperature proxy records never previously included in any large‐scale temperature reconstruction. The amplitude of the reconstructed temperature variability on centennial time‐scales exceeds 0.6°C. This reconstruction is the first to show a distinct Roman Warm Period c. ad 1–300, reaching up to the 1961–1990 mean temperature level, followed by the Dark Age Cold Period c. ad 300–800. The Medieval Warm Period is seen c. ad 800–1300 and the Little Ice Age is clearly visible c. ad 1300–1900, followed by a rapid temperature increase in the twentieth century. The highest average temperatures in the reconstruction are encountered in the mid to late tenth century and the lowest in the late seventeenth century. Decadal mean temperatures seem to have reached or exceeded the 1961–1990 mean temperature level during substantial parts of the Roman Warm Period and the Medieval Warm Period. The temperature of the last two decades, however, is possibly higher than during any previous time in the past two millennia, although this is only seen in the instrumental temperature data and not in the multi‐proxy reconstruction itself. Our temperature reconstruction agrees well with the reconstructions by Moberg et al. (2005) and Mann et al. (2008) with regard to the amplitude of the variability as well as the timing of warm and cold periods, except for the period c. ad 300–800, despite significant differences in both data coverage and methodology.     

球谐分析方法在全球温度场重建中的初步应用

球谐分析方法可用来分析球面上连续变化的量,本文尝试将这种方法应用于全球温度场重建中。基于所有代用资料站点上的1951—2010年时段器测数据,重建了全球温度的空间分布。经与器测资料比较发现,无论在站点密集还是稀疏的陆地区域重建结果都比较可信,但在没有站点分布的海洋区域重建结果较差。进一步研究发现,当站点在全球均匀分布时,只用40～50个站点重建的温度场就能反映空间上大尺度的温度变化,而用更多的站点重建时,则可以清晰地反映温度的区域性变化。     

荒漠河岸林涡度相关通量测定中平均时间的确定及其对通量计算的影响

极端干旱区在全球生态系统中具有重要的地位而越来越被人们所重视。涡度相关技术是研究极端干旱区生态系统水热和CO2交换的有力工具之一。而涡度相关数据在实际应用中需要根据研究区的实际情况选择适宜于该地区的采样和计算参数（如采样频率和平均时间等）。根据2011年9月22日～10月8日（17个白天）原始数据（采样频率为10 Hz）,采用不同平均时间（1～120 min）对塔河下游柽柳河岸林生态系统的潜热通量[（LE）]、感热通量[（H）]和CO2通量[（Fc）]进行了重新计算,比较分析各通量不同平均时间的计算值与30 min通量值,以揭示平均时间对该地区通量计算结果的影响。结果发现：（1）平均时间在120 min以内,17个白天湍流通量及能量平衡比率[（EBR）]均值随平均时间的延长而增大,当平均时间>120 min后,湍流通量（及[EBR]）均值随平均时间的延长大幅减小,其中15～60 min的[EBR]增幅较小,仅在2%左右。（2）平均时间>60 min后,[LE]、[H]和[FC]各通量计算值发生了不同程度的变异。通过进一步对上午[EBR]较为接近的5个样本日进行对比分析,发现当平均时间取15～60 min之间时,样本日的上午[EBR]值变化趋势一致,样本日间[EBR]差异较小;而当平均时间取>60 min或<15 min时,样本日间[EBR]差异明显增大。结合Ogive函数计算分析,我们的结论是,对于通量的长期观测研究而言,该地区适宜平均时间为60 min;而对通量的日变化研究而言,该地区适宜平均时间为15 min。通过分析15、30和60 min平均时间对小时通量的影响,发现当通量为增加趋势时,平均时间延长能够进一步增大通量绝对值,而当通量为减小趋势时,平均时间延长能够进一步减小通量绝对值。     

中国中世纪暖期气候研究综述

中世纪暖期是2000年来全球最重要的气候事件之一,关于中世纪暖期的研究,主要是通过各种代用资料重建气候序列。从目前的研究来看,能敏感响应环境变化的高分辨率的信息载体主要有冰芯、树轮、历史文献、湖泊沉积及石笋等。随着代用资料的开发,对于中世纪暖期的研究已经取得了丰硕的成果,但在中世纪暖期是否具有全球性,不同区域的起讫时间、增温幅度、内部波动以及成因机制等问题上还存在一定争议。主要原因是受重建资料敏感性与地域性限制,加上不同代用指标对气候变化敏感性的差异以及不同代用资料的方法、气候与环境意义等存在差异,定年存在误差。在中国,从对重建资料的整理分析来看,对于"中国是否存在中世纪暖期"这个问题,各研究者们没有达成一致的看法;对于中国中世纪暖期冷暖变化的研究,由于区域差异,东部重建资料以历史文献为主,而西部关于历史气候环境的相关记载很少,所以重建资料以冰芯、湖芯、树轮等为主。大多数的研究结果认为,西部的冷暖变化与东部有着明显的差异,其中最主要的是东部在900~1300 A. D.存在明显的温暖期,而西部则暖期不如东部明显。今后为了更加全面深入的了解中世纪暖期气候特征,应加强各种代用指标高分辨率序列的积累和定量化研究、各种代用指标和重建序列的综合集成研究及其与古气候模拟结果的比较研究,以期从动力学角度加深理解中世纪暖期的区域响应差异。     

Climate change comparison between Arctic and other areas in the Northern Hemisphere since the last Interstade

Based on temperature reconstruction and proxy data from 14 sites in the Northern Hemisphere, this paper focused on comparing the cycles of temperature variations between the Arctic and other areas, including Atlantic, Europe, China, Asia, Pacific, Indian Ocean, and America during the transition from the last Interstade to the Last Glacial Maximum, from the Last Glacial Maximum to megathermal period in Holocene and the transition of the Little Ice Age (LIA) by the methods of Singular Spectrum Analysis (SSA) and Maximum Entropy Spec-trum (MES). The results showed that environmental changes in the Arctic are most similar to that in the North American and better similar to Asia, Atlantic and Pacific, the least similar to Indian Ocean and Europe. The 1500-year oscillation of temperature existed both in Arctic and Europe.     

末次间冰段以来北极及北半球其他地区气候变化

Based on temperature reconstruction and proxy data from 14 sites in the Northern Hemisphere, this paper focused on comparing the cycles of temperature variations between the Arctic and other areas, including Atlantic, Europe, China, Asia, Pacific, Indian Ocean, and America during the transition from the last Interstade to the Last Glacial Maximum, from the Last Glacial Maximum to megathermal period in Holocene and the transition of the Little Ice Age （LIA） by the methods of Singular Spectrum Analysis （SSA） and Maximum Entropy Spectrum （MES）. The results showed that environmental changes in the Arctic are most similar to that in the North American and better similar to Asia, Atlantic and Pacific, the least similar to Indian Ocean and Europe. The 1500-year oscillation of temperature existed both in Arctic and Europe.     

中世纪暖期南北半球气候变化特征与成因的模拟对比

利用通用地球系统模式CESM过去1500年气候模拟试验结果,对比分析中世纪暖期南、北半球气候变化特征及成因,对认识南、北半球暖期气候变化规律及其与外强迫变化的关系有重要科学意义。结果表明：中世纪暖期全球及南、北半球总体是变暖的,但仍存在峰谷变化,高纬地区增温幅度大于低纬地区,北半球中世纪暖期比南半球更为明显,其距平变幅也大于南半球。全球降水距平基本为正,南、北半球降水变幅基本相当,降水变化显著区域集中于低纬地区。太阳辐射是影响中世纪暖期全球及半球气温变化最显著的因素,火山活动对北半球气温变化也有较显著的影响。从全球尺度来看,降水由太阳辐射和火山活动共同影响,其中太阳辐射影响最为显著,但从半球尺度来看,火山活动是影响半球降水的重要因素。