1、第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究，彭友兵，吴怡，程海，等 基于 的中国石笋氧同位素记录在过去千年气候同化中的应用初探 第四纪研究，（）：.，（）：.：文章编号：（）基于 的中国石笋氧同位素记录在过去千年气候同化中的应用初探彭友兵，吴怡，程海，郝赢玺，崔瑜（西安交通大学人居环境与建筑工程学院地球环境科学系，陕西 西安；西安交通大学全球环境变化研究院，陕西 西安）摘要：本研究利用中国石笋氧同位素记录填补了（）的代用资料数据库在中国东部的空白，并分析了代用资料库优化后 对中国降水的同化能力。结果表明，中国石笋氧同位素记录的添加提升了 对中国东部 以南和西北地区降水的同化能力，能较好再现过去
2、年两个地区发生的旱涝事件。同化数据表明过去 年中国东部发生了干旱和雨涝事件各 次，西北地区发生了 次干旱事件和 次雨涝事件。其中中国东部 年、年干旱事件和 年、年雨涝事件可能主要受北极涛动（）、北大西洋涛动（）和大西洋多年代际振荡（）共同作用，当、和 处于显著正位相则中国东部易发生干旱事件，负位相则易发生雨涝事件；年干旱事件和 年、年和 年雨涝事件则主要受太平洋年代际振荡（）影响，当 处于显著负位相则中国东部易发生干旱事件，正位相则易发生雨涝事件；年干旱事件主要受 负位相、和 正位相影响；而 年干旱事件与大气涛动间的联系并不密切。在中国西北地区，世纪末期之后接连发生的降水异常事件可能与、和 的
3、位相转变存在联系。关键词：；同化；旱涝事件；大气涛动中图分类号：文献标识码：开放科学标识码（）收稿，收修改稿 国家自然科学基金项目（批准号：）资助 第一作者（通讯作者）简介：彭友兵，女，岁，副教授，气候变化研究，：引言过去千年气候变化研究对于我们辨识现代气候变化的自然背景，评估全球变暖自然和人为因素等问题具有重要意义。利用代用资料重建和数值模拟两种研究方法，国内外对过去千年气候变化的研究取得了显著的进展，一方面通过历史文献资料和代用资料获得了大量的反映过去千年气候变化的高分辨率重建数据，另一方面利用数值模式进行模拟，对过去千年气候变化形成机制进行了分析。但上述两种研究过去千年气候变化的方法都有
4、自己的局限性。重建数据的局限性在于：）重建资料数据点稀少及空间分布的不均匀，使得重建资料受地域性限制，故而存在代表性不足的问题；）不同的代用指标对气候变化敏感性不同，导致对过去千年气候变化的认识存在不确定性；）代用资料作为观测数据，其不可避免的存在代表性误差和器测误差；）重建数据缺乏大气环流场的相关数据资料，从而无法对过去气候变化的形成机制进行探讨，记录与记录的简单对比远不足以揭示过去千年气候演变的驱动机制。而数值模拟的局限性在于：模式模拟结果存在高的不确定性，主要是由驱动模式的重建强迫因子、模式巨大的内部变率噪音和各模式间采用不同的物理参数等造成，因此模拟结果不一定能完全再现重建数据所揭示的
5、气候变化事实。重建和数值模拟方法各自的缺陷，使得过去千年气候变化的研究面临了诸多挑战和争议，阻碍了对过去千年气候变化发生机理的理解。因此，随着过去千年气候变化研究工作的快速发展，迫切 期彭友兵，等：基于 的中国石笋氧同位素记录在过去千年气候同化中的应用初探需要既能符合气候变化事实又能符合动力学机制的方法，以便更好地揭示过去千年气候变化的演变规律和机制，提高我们对年际年代际百年尺度气候变化动力学的认识。古气候同化方法正是对国际和国内过去千年气候变化研究在这方面需求的适应，是加强对区域气候动力学研究，理解更加完整和真实物理机制的重要手段。数据同化在 年被引入古气候研究中，它可以将代用资料和气候模式
6、的优势协调统一，通过重建数据约束模型模拟的轨迹，从而产生既符合气候模式物理机制，又与重建数据所反映的过去气候事实一致的结果，还能对重建数据和模拟数据误差进行定量估计，成为目前古气候研究领域的重要研究方向之一。但目前将古气候数据同化技术引入中国气候变化研究尚存不足。如目前应用广泛的 种全球古气候同化数据（）、（）和（）在其采用的代用资料数据库中对中国尤其是中国东部考虑不足，代用资料覆盖不充分，早期资料覆盖严重匮乏。在整个中国只考虑了 个树轮代用记录，和 增加了在中国西部的树轮代用记录，但对中国东部 仅仅只考虑了 个树轮代用记录，而 也只是另外再增加了 个石笋氧同位素 记录。代用资料覆盖不足严重影
7、响了同化数据对中国东部过去千年气候的再现能力。基于此，本研究以 为主要研究工具，通过添加中国石笋 数据，丰富古气候同化代用资料库中中国东部代用记录，来优化 代用资料数据集。从而帮助我们提升同化数据对中国过去千年气候变化的再现能力，进而更深入地理解过去千年中国年际年代际百年尺度气候变化的演变规律和物理机制。同化模型与数据.同化模型与过去千年同化试验 由美国华盛顿大学 等搭建，等通过更新和扩充其代用资料数据库以及采用季节回归的正向模型，将 发展至第二个版本；其采用的是集合卡尔曼滤波同化方法。在传统的集合卡尔曼滤波同化过程中，其对状态变量进行更新的核心公式为：（）（）首先由气候模式提供先验值（）或者
8、叫做背景场，然后根据观测数据（或代用资料如树轮宽度、冰芯 比值、石笋氧同位素等）与先验值 的误差对状态变量进行更新，最终生成一系列最优状态估计同化结果（后验值或者叫做分析值）。（）是一个非线性的向量值观测算子，通常是正向模型，用于将模拟变量 从模拟状态空间映射到观测数据（或代用资料）空间；在古气候领域，它将气候模式模拟的气候状态变量（如温度、降水）转换为代用资料（如树轮宽度、冰芯 等）。以古气候数据同化研究中同化石笋氧同位素资料为例，（）既可以是基于线性拟合的回归统计正向模型，也可以是考虑了物理过程的正向模型。因此（）代表气候模拟数据中没有涵括的来自代用资料的新息向量。在公式（）中，新息向量通
9、过 即卡尔曼增益矩阵来与先验值 进行加权更新状态变量。卡尔曼增益矩阵计算公式为：（）其中，公式（）中，指背景场协方差矩阵，指代用资料误差协方差矩阵，表示公式（）的线性观测算子。在 中，采用的集合平方根滤波同化方法对传统的集合卡尔曼滤波更新方程即公式（）进行了调整，其被分为集合平均和相对集合平均的扰动（相对集合平均的距平）两部分来分别计算。可以把气候模拟数据中没有涵括的来自代用资料的新息向量传递到多个气候变量如 位势高度场和海平面气压场，从而实现多变量同化。新信息向量主要通过 赋予权重来向位势高度场和海平面气压场传递。详细介绍请参考 等。由公式（）可知 同化理论框架由代用资料数据库（即公式（）中
10、的）、气候模式模拟资料数据库（即公式（）中的）和正向模型（即公式（）中）三部分组成。的代用资料数据包括两个数据库，其中之一为最新的国际过去全球变化研究计划（，简称）过去 年气候变化集成代用资料数据库（），另一个数据库来自于 等整 理 的 大 量 树 轮 宽 度 记 录。但 在 版 本.中仅考虑了 数据库。本文在此基础上利用中国石笋氧同位素 记录来扩展 的代用资料数据库。中只考虑具有年和半年精度的代用资料数据，其中半第 四 纪 研 究 年年精度的数据均通过平均处理为年精度数据，其涵括的代用数据类型包括树轮宽度、树轮密度、树轮同位素、冰芯 等。的气候模式模拟数据来自于国际耦合模式比较计划第五阶段（
11、）通用气候系统模式（）过去千年试验（）的输出结果，在 中其分辨率由原来的.降为.，取相对于 年平均的距平值，并采用蒙特卡罗随机扰动法产生模拟气候状态的 个集合成员，从而为进行离线同化提供集合背景场。采用回归统计正向模型将气候模式模拟的气候状态变量（如温度、降水）转换为代用资料形式（如树轮宽度、树轮密度、石笋氧同位素等）。利用中国石笋氧同位素 记录来扩展 的代用资料数据库时，首先对中国石笋氧同位素 记录进行了筛选，包括剔除已经包含在.代用资料库中的数据和选取可以代表降水且具有季节或年精度的数据，最终添加数据如图 和表 所示，共添加 个洞穴的 个石笋 记录。图 添加的中国石笋数据洞穴位置示意图.将
12、 代用资料库扩展优化后，进行同化试验，获取降水量、全球平均气温、空气温度、海表面温度、位势高度场和海平面气压同化数据，得到优化了代用资料库后的新 同化数据集，将其命名为 数据集。.数据及分析方法 为了评估 对中国过去千年气候变化的同化能力，我们使用了已有的 同化数据表 添加的中国石笋数据洞穴位置 序号引用文献位置精度时间跨度 等大鱼洞（，）年 年 等董哥洞（，）年 年 等峨眉洞（，）季节 年 等和尚洞（，）年 年李红春等石花洞（，）年 年 等莲花洞（，）年 年 等万象洞（，）年 年 等香龙洞（，）季节 年 等小白龙洞（，）年 年.（下 载 地 址：）和过去千年中国 重 建 降 水 数 据（）来
13、对比验证，并通过计算皮尔逊相关系数（，用 表示）来评估 的同化能力。由于 数据只能反应过去 年降水变化，因此只对过去 年中国降水变化进行研究。其中 计算方法与 等相同，自由度计算方法与 等相同。为了分析 对过去千年中国旱涝事件的再现能力，我们采用 和 对持续性旱涝事件的定义，认为区域平均降水经过 年滑动平均并标准化后，出现持续 年或以上为负值（正值）且其中至少有连续 年的负值（正值）超过一个标准差则为一次持续性干旱（雨涝）事件。为了分析旱涝事件发生机制，分别计算了太平洋年代际振荡（，简称）指数、.指数、北极涛动（，简称）指数、北大西洋涛动（，简称）指数和大西洋多年代际振荡（，简称）指数。指数被
14、定义为北太平洋从 至北极区域（）异常的第一主成分；.指数定义为 、区域的平均 异常；和 指数计算分别为北大 西 洋 在 至 北 极 区 域 和 、区 域 上 空 海 平 面 气 压（，简称）异常的第一主成分（）；期彭友兵，等：基于 的中国石笋氧同位素记录在过去千年气候同化中的应用初探指数基于北大西洋 的平均异常（，）减去全球（）平均 异常。结果.同化能力评估 将 和 .以 为参照来分别图 （）.与 反映的过去 年中国降水皮尔逊相关系数分布图和（）与 反映的过去 年中国降水皮尔逊相关系数分布图所有数据均进行了 年的滑动平均和标准化；图中黑点表示该区域 通过 置信区间检验.（）.，（）分析其对中国
15、降水的同化能力，结果如图 所示。可以看出，在中国东部 以南和中国西北这两个地区，与 的皮尔逊相关系数 数值较 .与 的更高，说明 代用资料库经优化后的 对这两个地区的同化能力较之 .要强。但在中国东部 以北则优化后的 值比优化前变小，甚至为负数，说明数据集相比 .对这个地区的同化能力反而有所下降。这或许说明该区所选取的石笋氧同位素记录不利于降水同化。.同化数据对过去千年中国年代际旱涝事件的再现能力 因为 同化数据提高了在中国东部和西北地区的同化能力，于是重点分析 对中国东部（，）和西北地区（，）年代际旱涝事件的再现能力。分别将这两个地区的降水进行区域平均，再进行 年滑动平均并标准化处理，然后再
16、与 进行比对。数据揭示过去 年中国东部发生了干旱事件 次，分别发生在 年、年、年、年和 年，其 中 次 干 旱 事 件 与 一 致，即 年、年、年和 年干旱事件（图）。与 对比发现，同化数据严重高估了 年、年干旱事件和严重低估了 反映的 年的干旱事件（图）。过去 年中国东部发生雨涝事件 次，分别为 年、年、年、年和 年，其中 次雨涝事件与 反映一致，分别为 年、年、年和 年雨涝事件（图）。总体而言，相 较 于 模 拟 结 果和 其 它 同 化 数 据，在反映中国东部干旱、雨涝事件的能力有所提升。与 对比发现，同化数据高估了 年雨涝事件的严重程度；另外，反映的 年雨涝事件在 中呈现出完全相反的干旱气候。对比中国东部干旱和雨涝事件可以发现在 世纪和 世纪中国东部降水异常事件发生频繁，如 年干旱事件后紧接着就发生了 年雨涝事件，年雨涝事件后仅 年又发生 年雨涝事件，经过 年又发生 年干旱事件，紧接着是 年雨涝事件。数据揭示过去 年中国西北干旱区发生了干旱事件 次，分别发生在 年、年、年、年和 年，且均能与 反应的干旱事件对第 四 纪 研 究 年图 （）和 反映的过去 年中国东部干旱事件发生图
