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1998-2013年青藏高原变暖趋势被全球陆地数据同化系统和大气再分析数据低估的研究

期刊:J. Meteor. Res.DOI:10.1007/s13351-020-9100-3

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:

作者与发表信息

该研究由Peng Ji和Xing Yuan共同完成,分别来自中国科学院大气物理研究所区域气候-环境研究重点实验室、中国科学院大学地球与行星科学学院以及南京信息工程大学水文与水资源学院。研究于2020年发表在《Journal of Meteorological Research》上,题为“Underestimation of the warming trend over the Tibetan Plateau during 1998–2013 by global land data assimilation systems and atmospheric reanalyses”。

学术背景

青藏高原(Tibetan Plateau, TP)是全球最高的高原,海拔超过4000米的区域占其总面积的一半以上。由于其独特的地理位置和脆弱生态系统,青藏高原对全球变暖的敏感性高于同纬度其他地区。自20世纪80年代末以来,青藏高原的变暖速率是全球平均水平的1.5倍,导致冰川退缩、永久冻土退化以及植被绿化等显著生态水文变化。然而,由于青藏高原地区气象观测站点稀疏,全球陆地数据同化系统(Land Data Assimilation System, LDAS)和大气再分析数据集被广泛用于该地区的研究。1998年至2013年全球变暖减缓期间,青藏高原的变暖速率却在加速,这引发了一个问题:再分析数据集和LDAS能否准确捕捉这一变暖特征?本研究旨在评估多个全球LDAS和大气再分析数据集在捕捉青藏高原变暖趋势方面的表现,并探讨其低估变暖趋势的原因。

研究流程

研究分为以下几个步骤:

  1. 数据收集与处理
    研究使用了1998年至2013年期间来自中国气象局(CMA)的131个气象站点的地面气温(T2M)、最高气温(TMAX)和最低气温(TMIN)观测数据。此外,还使用了基于2416个CMA站点的CN05.1网格化数据集。为了评估云量变化,研究还使用了来自CDIAC-EECRA的1998年至2009年夜间总云量观测数据。

  2. 数据集选择与评估
    研究评估了两种全球LDAS数据集(GLDAS1.0和GLDAS2.0)、五种全球大气再分析数据集(JRA-55、ERA-Interim、ERA5、MERRA和MERRA2)以及由ERA-Interim驱动的高分辨率WRF动力降尺度模拟数据。这些数据集的空间分辨率和时间分辨率各不相同,研究从每个数据集中提取了每日地面气温及其最高和最低值,并计算了年平均值。

  3. 偏差分析与趋势计算
    研究通过将网格化数据与气象站点观测数据进行比较,计算了每个数据集的偏差,并进行了高程校正。此外,研究还计算了各数据集的线性趋势,并通过泰勒图展示了各数据集在捕捉气温变化方面的表现。

  4. 辐射与云量分析
    为了探讨再分析数据集低估变暖趋势的原因,研究分析了白天和夜间地表向下辐射以及夜间总云量的变化趋势。通过概率密度函数(PDF)分析,研究比较了再分析数据集与WRF模拟在辐射和云量变化趋势上的差异。

主要结果

  1. 变暖趋势的低估
    研究发现,所有再分析数据集和LDAS在1998年至2013年期间低估了青藏高原的变暖趋势,低估幅度在27%至86%之间。其中,ERA-Interim和MERRA2甚至显示出冷却趋势,而WRF动力降尺度模拟则显著改善了ERA-Interim的冷却趋势,使其更接近观测结果。

  2. 辐射与云量的低估
    研究指出,再分析数据集低估了青藏高原南部白天地表向下辐射的增加趋势,以及北部夜间总云量的增加趋势,这是导致其低估变暖趋势的主要原因。WRF模拟在捕捉这些变化方面表现更好,但其对北部夜间总云量增加趋势的模拟仍低于观测值。

  3. 新一代数据集的改进
    新一代数据集(如GLDAS2.0、ERA5和MERRA2)在气温模拟偏差方面有所改进,改进幅度在12%至94%之间,但在捕捉变暖趋势方面并未显著改善。WRF动力降尺度模拟在捕捉变暖趋势方面表现最佳,其变暖趋势更接近观测值。

结论与意义

研究指出,合理模拟全球变暖减缓期间青藏高原的变暖特征仍需更多努力,而WRF动力降尺度模拟提供了比其驱动的全球再分析数据集更准确的气温估计。这对于研究青藏高原的气候变化及其生态水文影响具有重要意义。此外,研究还强调了改进气象强迫数据对于LDAS应用的重要性,并建议未来的研究应关注青藏高原北部夜间总云量的变化。

研究亮点

  1. 重要发现
    研究首次系统评估了多个全球LDAS和大气再分析数据集在捕捉青藏高原变暖趋势方面的表现,并揭示了其低估变暖趋势的主要原因。

  2. 方法创新
    研究采用了高分辨率WRF动力降尺度模拟作为参考,显著改善了全球再分析数据集的变暖趋势模拟。

  3. 研究对象的特殊性
    青藏高原作为全球气候变化的敏感区域,其变暖趋势的准确模拟对于理解全球气候变化及其生态水文影响具有重要意义。

其他有价值的内容

研究还指出,GLDAS1.0和GLDAS2.0在捕捉气温变化方面表现不佳,建议使用更高分辨率的中国气象局LDAS(CLDAS)数据集。此外,研究强调了改进气象强迫数据对于LDAS应用的重要性,并建议未来的研究应关注青藏高原北部夜间总云量的变化。

通过以上内容,本研究为青藏高原气候变化的准确模拟提供了重要参考,并为未来相关研究提供了方向。

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