本研究由Miao Fang、Jingyun Zheng、Jianglin Wang、Haifeng Zhu和Xuezhen Zhang等作者共同完成，分别来自中国科学院西北生态环境资源研究所、中国科学院地理科学与资源研究所以及中国科学院青藏高原研究所。该研究于2022年2月3日发表在《International Journal of Climatology》期刊上，题为“Assimilating an expanded tree ring dataset to reconstruct the millennial air temperature fields for the northern hemisphere”。研究的主要目标是通过古气候数据同化（Paleoclimate Data Assimilation, PDA）方法，结合扩展的树轮代理数据集和基于人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）的代理系统模型，重建北半球（Northern Hemisphere, NH）过去千年的时空连续气温场。

学术背景

过去千年的气候变化为理解当前气候提供了重要背景，然而，目前缺乏北半球或全球尺度的千年时空连续气候重建。现有的气候重建方法主要包括基于代理的重建、地球系统模型模拟和古气候数据同化（PDA）。其中，PDA方法通过贝叶斯估计规则将气候代理数据与气候模拟结果进行最优融合，能够同时保留代理数据中的气候信号和气候模型中的动态理解。与传统的代理重建和模型模拟相比，PDA方法具有时空连续、无缺失值的优势，尤其适合分析气温变化的时空模式。

本研究旨在利用扩展的树轮代理数据集和基于ANN的代理系统模型，重建北半球过去千年的2米气温场，并分析其空间变化特征。树轮代理因其精确的年代测定、高时间分辨率（如年或季节分辨率）、全球广泛分布、清晰的气候信号以及与观测数据的可校准性，成为PDA中最常用的代理数据。

研究流程

研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 数据同化算法：研究采用了时间平均的集合平方根滤波（Ensemble Square Root Filter, EnSRF）算法，并结合离线（off-line）策略进行古气候数据同化。该算法允许在PDA中同化时间平均的观测数据（如气候代理），并通过卡尔曼增益矩阵（Kalman Gain Matrix, K）将观测信息从观测站点传播到非观测站点。

2. 树轮代理数据集：研究共收集了389条对温度敏感的树轮年表（包括宽度、密度和最大晚材密度），其中365条来自PAGES2k联盟发布的多代理数据库，其余24条来自Wang et al. (2015)和Huang et al. (2019)的研究。这些树轮代理数据在时间和空间上具有广泛分布，能够反映不同季节的温度变化。

3. 基于ANN的代理系统模型：研究采用反向传播人工神经网络（Back-Propagation ANN, BP-ANN）作为代理系统模型，用于模拟树轮代理与气温之间的非线性关系。每个树轮代理系统模型通过校准1901-2000年间的仪器温度与树轮代理数据进行训练，并利用NASA戈达德空间研究所（GISS）的地表温度分析数据（GISTEMP）作为校准期的气温数据。

4. 先验集合与实验过程：研究从MPI-ESM-P（Max Planck Institute Earth System Model）的“Past1000”实验中随机选择了100个静态先验集合，并采用无协方差局部化的方法进行数据同化。同化过程逐年进行，每次实验随机选择75%的树轮代理作为观测数据，最终通过5000次重建实验的平均值得到北半球过去千年的时空连续气温场。

主要结果

1. 验证结果：研究通过与HadCRUT4观测数据、LMV2重建数据以及多个先前发表的代理重建数据进行对比，验证了PDA重建的准确性。结果表明，PDA重建与HadCRUT4观测数据在1850-2000年间的北半球平均气温异常具有较高的相关性（r=0.81），并且在1850-1900年间的验证中表现优于LMV2重建。

2. 北半球气温的主要模式：通过经验正交函数分析（Empirical Orthogonal Function, EOF），研究发现北半球气温变化的第一主导模式（解释方差72.50%）表现为空间一致的温度变化，而第二主导模式（解释方差10.60%）则表现为北极地区的偶极结构异常。北极地区的温度变化对内部气候变异和外部强迫最为敏感。

3. 典型气候时期的空间特征：研究分析了中世纪气候异常（Medieval Climate Anomaly, MCA）、小冰期（Little Ice Age, LIA）和20世纪暖期（20th Century Warming Period, TCWP）的北半球气温空间特征。结果表明，20世纪是过去千年中最暖的世纪，94.17%的北半球区域呈现正异常；11世纪是第二暖的世纪，70.26%的区域呈现正异常；19世纪是最冷的世纪，86.97%的区域呈现负异常。

结论与意义

本研究通过PDA方法成功重建了北半球过去千年的时空连续气温场，为研究过去气候变化提供了新的可靠数据集。研究结果表明，PDA重建在时空连续性和准确性方面优于传统的代理重建和模型模拟，尤其适合分析气温变化的时空模式。此外，研究还揭示了北半球气温变化的主要空间模式及其在典型气候时期的特征，为理解过去气候变化机制提供了重要依据。

研究亮点

1. 方法的创新性：本研究首次将基于ANN的代理系统模型应用于PDA方法，显著提高了气候重建的灵活性和普适性。
2. 数据集的扩展性：研究采用了扩展的树轮代理数据集，覆盖了更广泛的时空范围，增强了重建结果的可靠性。
3. 结果的全面性：研究不仅重建了北半球过去千年的气温场，还深入分析了气温变化的时空模式和典型气候时期的特征，为气候变化研究提供了全面的数据支持。

其他有价值的内容

研究还指出，未来可以通过增加热带地区和海洋代理数据（如珊瑚和海绵骨骼）的采样，进一步改进PDA重建的质量。此外，采用更大的先验集合或协方差局部化方法，也有助于克服小样本问题，提高重建结果的准确性。