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作者与机构
本研究的主要作者包括Xin Chen、Pei Xing、Yong Luo、Suping Nie、Zongci Zhao、Jianbin Huang和Qinhua Tian。他们分别来自清华大学地球系统科学系教育部重点实验室、全球变化联合研究中心、北京市气候中心以及中国气象局国家气候中心。该研究于2017年4月20日在线发表在《Theoretical and Applied Climatology》期刊上。

学术背景
本研究的主要科学领域是气候变化研究，特别是过去千年间北半球地表温度的重建与模拟。气候模型模拟和基于代用记录（proxy records）的重建是研究过去气候变化的两种主要方法，但它们各自存在局限性。气候模型在模拟大尺度气候响应方面表现良好，但在小尺度上存在不确定性；而代用记录虽然能提供高分辨率的气候信息，但其空间覆盖范围有限，且时间分辨率较低。因此，本研究旨在通过一种多尺度分离的融合方法，结合气候模型模拟和代用记录，重建过去千年（851-2005年）北半球地表温度的时空变化，并验证其在不同时间尺度上的兼容性。

研究流程
本研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 数据准备

   • 代用记录：收集了323条温度敏感的代用记录，包括树轮年表、湖泊沉积物记录和冰芯数据。这些记录来自PAGES-2K网络及其他数据库。
     
   • 仪器数据：使用了CRU TS v2.1和Berkeley Earth表面温度数据集作为校准和验证的基准。
     
   • 气候模型模拟：采用了CESM（Community Earth System Model）的10个全强迫模拟结果作为背景场。
     

2. 时间尺度分解

   • 使用集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD）方法将目标时间序列分解为多个本征模态函数（Intrinsic Mode Functions, IMFs），并通过功率谱分析将其进一步归类为四个典型时间尺度的分量：年际（<10年）、年代际（10-30年）、多年代际（30-90年）和百年际（>90年）。
     

3. 代用记录筛选与校准

   • 对每个时间尺度的代用记录分量进行筛选，仅保留与仪器数据分量显著相关的记录。
     
   • 使用方差匹配（Variance Matching, VM）方法将代用记录分量转换为温度分量。
     

4. 最优插值算法（Optimal Interpolation, OI）融合

   • 采用局部化的最优插值算法，将气候模型模拟结果与代用记录分量逐点融合。
     
   • 通过多次试验确定每个时间尺度的最优搜索半径，以确保融合结果的准确性。
     

5. 独立验证

   • 将数据分为校准集（1921-1980年）和验证集（1911-1950年），评估融合结果在不同时间尺度上的改进效果。
     

主要结果
1. 时间尺度分量的改进
- 年际分量的改进最为显著，特别是在欧洲、北美西海岸和西伯利亚极地地区，融合结果与仪器数据的相关性显著提高，均方根误差（RMSE）显著降低。
- 年代际和多年代际分量的改进相对较小，但在西伯利亚和北美部分地区也有显著提升。

1. 火山响应的评估

   • 融合结果在模拟火山喷发后的温度响应方面表现出较好的性能，特别是在1815年（坦博拉火山）、1783年（拉基火山）和1641年（帕克火山）的喷发事件中，融合结果与纯重建结果的差异较小，表明融合方法能够有效减少气候模型与代用记录之间的差距。
     

2. 区域温度变化的重建

   • 融合结果在北美洲、东亚和欧洲的区域温度重建中表现出较高的准确性，特别是在年际时间尺度上，融合结果的误差范围显著小于原始模型模拟结果。
     

结论
本研究提出了一种基于多尺度分离的融合方法，成功结合了气候模型模拟和代用记录，重建了过去千年北半球地表温度的时空变化。该方法在年际时间尺度上表现出显著的改进，特别是在中纬度地区，融合结果能够有效校正气候模型的内部变异性。此外，融合结果在模拟火山响应和区域温度变化方面也表现出较高的准确性。这一研究为理解过去气候变化提供了新的视角，并为未来气候变化研究提供了重要的方法论支持。

研究亮点
1. 多尺度分离方法：通过EEMD方法将气候变量分解为不同时间尺度的分量，实现了气候模型与代用记录的有效融合。
2. 局部化最优插值算法：通过动态更新背景误差协方差矩阵和优化搜索半径，提高了融合结果的准确性。
3. 独立验证：通过将数据分为校准集和验证集，系统地评估了融合方法在不同时间尺度和区域上的性能。

其他价值
本研究不仅为过去千年气候变化的重建提供了新的方法，还为未来气候变化研究中的数据同化技术提供了重要参考。此外，研究中对代用记录筛选和校准的详细流程，也为其他类似研究提供了可借鉴的经验。

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