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无线电探空逐日温度资料均一化及其对气候变化研究的影响

无线电探空仪,高空气候变化,对流层-平流层,高频观测数据均一化,气候模拟评估

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.4 大气垂直结构探测技术和过程研究

自20世纪50年代以来，无线电探空仪提供了覆盖全球、具有高垂直分辨率的逐日温度长期观测记录，在天气预报、再分析产品研制、卫星数据定标及气候变化检测与归因研究中扮演着不可替代的重要角色。然而，由于观测仪器、观测实践及数据处理方法的频繁变更，原始探空资料中普遍存在虚假的均值与方差不连续性，严重制约了其用于研究长期气候趋势的可靠性，尤其是对对流层增暖热带放大（TTWA）等关键科学问题的研究造成了长期困扰。

为攻克这一关键难题，本研究研发了一套适用于时序均值和方差的均一化方法，旨在系统性地检测并订正全球逐日探空温度资料中的时序均值与方差不连续性问题，最终生成高空温度气候数据集UA-HRD，显著改善了探空资料的均一性。非均一性检测结果表明，约60%的不连续性源于时序均值，约40%源于时序方差，且其空间分布呈现出与国家探空网络变更存在一定的对应关系。均一化后的资料在空间上呈现出更连续的变暖趋势，在时间上表现出更稳定的演变特征。UA-HRD已被联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）直接作为高空基准数据采信，纳入其官方数据库，并在该报告中以表格和大篇幅文字方式来表征对流层和平流层温度的长期变化趋势。

UA-HRD的问世对气候变化研究产生了立竿见影的影响。其中最为突出的成果在于解决了长期存在的“对流层增暖热带放大”观测与模拟之间不一致的争议。TTWA是气候模式对温室气体增加的一个稳健响应，表现为热带对流层中上层（约250 hPa）的增暖幅度显著高于近地表。然而，原始探空和卫星观测却显示较弱的TTWA信号，长期以来引发了人们对气候模式可靠性的激烈讨论。基于UA-HRD等资料的最新分析表明，原始资料中的虚假不连续性是造成这一争议的主要原因，贡献了约75%的差异。与此同时，相比CMIP5，最新一代CMIP6模式模拟的TTWA降低了约15%。这两方面的改进共同促使观测与模拟的TTWA首次在统计意义上实现高度一致性。此外，均一化资料还有效地消除了原始资料和多个再分析产品中在华北和蒙古出现的虚假对流层冷却信号，揭示了更为真实且空间一致的增暖结构。总之，对全球无线电探空逐日温度资料进行包括方差在内的系统均一化，不仅显著提升了逐日探空温度数据的质量，为气候变化研究奠定了更坚实的数据基石，也极大增强了对关键气候变化信号的检测能力，从而有助于更准确地评估气候模式的可靠性。