类型a
主要作者与机构及发表信息
本文的主要作者包括Robert Tardif、Gregory J. Hakim、Walter A. Perkins等，他们分别来自华盛顿大学大气科学系（Department of Atmospheric Sciences, University of Washington）、俄勒冈州立大学地球、海洋与大气科学学院（College of Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences, Oregon State University）以及南加州大学地球科学系（Department of Earth Sciences, University of Southern California）。该研究于2019年7月5日发表在《Climate of the Past》期刊上。
学术背景
这项研究属于古气候学领域，旨在通过数据同化方法重建过去千年的气候变化。古气候重建对于理解自然气候变率的成因至关重要，而这些成因又为预测未来几十年的气候变化提供了基础。传统上，过去的气候信息来源于气候代用指标（如树木年轮、冰芯）或地球系统模型模拟。然而，如何将这两种信息有效结合是古气候科学的一大挑战。本文的研究目标是通过改进代用指标数据库和代理系统模型（Proxy System Models, PSMs），提升千年再分析（Last Millennium Reanalysis, LMR）的精度，从而生成更准确的气候场重建结果。
研究流程
本研究的工作流程主要包括以下几个步骤：
数据同化框架的更新
研究采用集合卡尔曼滤波器（Ensemble Kalman Filter）进行数据同化，并使用离线数据同化方法（Offline DA）。这种方法通过从预存的千年模拟中随机抽取状态作为先验，避免了运行复杂全球气候模型的高昂计算成本。为了控制采样误差，研究还引入了协方差定位（Covariance Localization），并使用Gaspari-Cohn第五阶多项式函数实现。
代用指标数据库的扩展
本研究更新了代用指标数据库，从PAGES 2k Consortium (2013)版本升级到PAGES 2k Consortium (2017)版本，并增加了Anderson等人（2019）提供的额外记录，特别是Breitenmoser等人（2014）的树木年轮宽度（Tree-Ring Width, TRW）记录。新数据库显著增强了热带地区的珊瑚记录和高纬度地区的树轮密度记录覆盖范围。
代理系统模型的改进
研究开发了季节性代理系统模型，以更好地反映代用指标对气候变量的季节性响应。对于TRW记录，研究采用了双变量模型（Bivariate Model），同时考虑温度和湿度的影响，而不是传统的单变量模型（Univariate Model）。此外，研究还提出了一种客观确定代用指标季节性响应的方法，通过调整R²值选择最佳拟合模型。
实验设计与数据分析
研究进行了多次实验，以评估不同PSM配置和协方差定位参数对重建结果的影响。所有实验均基于51次蒙特卡洛实现，每次实现使用100个成员的集合，并随机选取75%的代用指标记录进行同化。验证过程包括与仪器时代观测数据的对比（如Berkeley Earth分析）以及独立代用指标的验证。
主要结果
1. 全球平均气温（GMT）重建
更新后的LMR在GMT重建方面表现出显著改进，尤其是在20世纪趋势和去趋势GMT的验证中。与Hakim等人（2016）的原型相比，更新后的LMR在相关系数（r）和效率系数（CE）上均有显著提升。例如，去趋势GMT的CE从0.32提高到0.59。
空间场重建
在空间场重建方面，更新后的LMR在热带太平洋、北大西洋、北美西部、北欧、中亚和大洋洲等地的温度重建精度显著提高。特别是在热带地区，得益于新增的珊瑚记录，重建结果更为准确。
500 hPa位势高度场重建
对比NOAA 20世纪再分析（20CR-v2）的结果显示，更新后的LMR在中高纬度大陆地区和北极地区的500 hPa位势高度场重建精度也有显著提升。
干旱指数（PDSI）重建
在水文气候变量（如PDSI）的重建中，更新后的LMR在北美西部和东欧等地的表现有所改善，但部分地区（如北美中部平原）的技能略有下降。
独立代用指标验证
使用未参与同化的代用指标进行验证，结果显示更新后的LMR在树轮密度记录的表示上更为准确，且部分Breitenmoser等人（2014）的TRW记录经过筛选后仍能提供局部区域的技能增强。
结论与价值
本研究通过改进代用指标数据库和代理系统模型，显著提升了LMR的重建精度。研究不仅为理解过去千年的气候变化提供了更可靠的数据支持，还为未来古气候数据同化研究奠定了基础。其科学价值在于揭示了代用指标季节性和双变量建模的重要性，而应用价值则体现在为气候预测和政策制定提供了更精确的历史气候背景。
研究亮点
1. 代用指标数据库的扩展：新增的珊瑚和树轮记录显著增强了热带和高纬度地区的覆盖范围。
2. 代理系统模型的创新：首次引入了客观确定季节性响应的方法，并开发了双变量TRW模型。
3. 协方差定位的优化：通过调整定位半径，平衡了采样噪声与有用信息的保留。
4. 局部技能增强：部分未筛选的TRW记录在局部区域（如美国东部）提供了水文气候变量的技能增强。
其他有价值内容
研究还探讨了Breitenmoser等人（2014）记录对小冰期温度重建的影响，发现这些记录虽然提高了局部技能，但也可能削弱某些重要气候特征的准确性。因此，未来研究应更加注重代用指标的筛选与质量控制。