同化多源代用资料重建高亚洲地区过去1000年气温

Paleoclimate data assimilation (PDA) is a promising approach and a significant issue in the context of past climate research in recent years. PDA has the same theoretical basis as the traditional data assimilation (DA) employed in the field of atmosphere science and its main aim is to optimally estimate past climate states that are both consistent with the climate signal recorded in proxy and the dynamic understanding of the climate system through combining the physical laws and dynamic mechanisms of climate systems represented by climate models with climate signals recorded in proxies. After investigating the latest advances and further key issues of PDA, this research intends to reconstruct the past 1000yrs (AD1000-2000) air temperature over high-Asia at high spatial-temporal resolution (spatial resolution is 60km, and the temporal resolution is 1 year) using PDA with three typical proxies in high-Asia (e.g., tree-ring, ice core, stalagmite) as observation data. Crucial steps of this research include: (1) constructing corresponding forward models of the three proxies; (2) estimating observation errors of the three proxies; (3) designing multi-source information fusion strategy in data assimilation; (4) developing PDA system and (5) implementing PDA experiments based on the PDA system. The research ideas and methods will further enrich the theoretical base of PDA, the research contents will play significant role in the upcoming climate reanalysis project for the past 2000yrs. In addition, the assimilation results will also be a basis data for the study of climate change in high-Asia.

古气候数据同化是目前气候重建领域的一个前沿方向，它植根于大气数据同化的理论框架内，将气候模式和代用资料有效融合，优势互补，以期得到既符合气候变化物理学规律和动力学机制、又包含代用资料记录的气候变化信息的重建结果。本研究准备以高亚洲地区为研究区，选择树轮、冰芯、石笋等高亚洲地区内三种典型的代用资料作为观测数据，构建三类代用资料的正向模型并估计其观测误差，设计多源代用资料在同化过程中的信息融合策略，发展能够同化多源代用资料的古气候数据同化系统，以此开展古气候同化实验并生成高亚洲地区过去1000年（AD1000-2000）高时-空分辨率（空间分辨率60km，时间分辨率1年）的气温数据。研究思路和方法将进一步充实和完善古气候数据同化的理论体系，研究内容也将为国际上即将开展的过去2000年气候再分析工程提供示范，同化结果也将为高亚洲地区气候变化研究提供基础数据。

针对高亚洲地区缺少过去千年、高质量、时空连续、年分辨率气温场资料的问题，本项目采用先进的古气候数据同化方法，借助MPI-ESM-P模式以及PAGES2k工作组最新发布的年分辨率的气温代用资料（包括：树轮、冰芯、石笋、历史文献），重建了过去1000年北半球（包括高亚洲地区）年分辨率的气温场数据。同化重建的气温场和气温观测资料、代用资料重建的气温具有很好的一致性（平均r=0.61, p-value < 0.01）。基于重建的气温场数据，分析了：（1）过去1000年北半球和中国气温变化的时空特征；（2）典型气候特征期（中世纪暖期、小冰期、20世纪暖期）气温场空间分布的异同；（3）中国明清小冰期（1500-2000 AD）不同气候区气温变化规律和偏冷幅度；（4）过去1000年高亚洲地区和北极地区气温变化的异同及变化机制。发现：（1）过去千年北半球气温和中国气温变化在年际尺度上主要与ENSO相位有关，在年代际尺度到百年际尺度上与太阳活动有关；（2）中国明清小冰期存在全区域整体一致偏冷的趋势，最冷出现在19世纪上半页，温带大陆性气候区、温带季风气候区、高寒山地气候区等气候区的偏冷程度明显高于其他气候区；（3）过去千年高亚洲气温变化和北极气温变化高度相关（相关系数=0.75，p-value<0.01)且同步变化。相关成果已整理发表JCR1区论文2篇（见附件）、在审SCI论文3篇。重建的过去1000年北半球气温场数据已经发布在国家青藏高原科学数据中心（https://data.tpdc.ac.cn/）。重建的过去1000年气温场数据可为研究过去千年北半球尺度和区域尺度气温变化提供高质量的基础数据，相关研究结论为认识过去1000年北半球、中国、高亚洲气温协同变化提供了新的认识。