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行使弹性框架估计陆地水储量年代际展望的基准技巧


  近日,中国科学院大气物理研究所博士研究生朱恩达及其导师袁星教授在《Nature Communications》发表了题为“Benchmark Decadal Forecast Skill for Terrestrial Water Storage Estimated by an Elasticity Framework”的研究成果。该工作提出了一个新的“基准技巧”用于研究年代际水文可预告性,明显优于传统的初值荟萃预告技巧。论文合作者包括美国NCAR的Andrew Wood博士。

  随着全球变暖加剧,极端水文事件频发,水资源安全成为当前和将来水文天气研究的重点关注题目,被世界天气研究计划列为庞大科学挑衅之一。陆地水储量包括地表水、泥土水、地下水以及冰川、积雪等各种形态的陆地水,它是紧张的淡水资源也是陆地水循环不可缺少的组成部分。在年代际尺度可靠地展望陆地水储量可为水资源规划、水旱风险管理提供科学依据。陆地水储量的可预告性重要源自两个方面:陆面水文初始条件的记忆性以及天气等边界条件的可预告性。然而,在年代际尺度展望陆地水储量转变是否应重点致力于削减初始条件照旧边界条件的不确定性?近年来年代际天气展望研究的开展,是否能用于明显改动陆地水储量的年代际展望?全球陆地水储量目前的基准展望技巧如何?这些都是亟待解决的科学题目。

  鉴于此,袁星教授团队行使陆面模式CLM4.5进行了2200年全球荟萃回报试验,并采用“弹性框架”方法分析了初始条件和边界条件不确定性的转变对全球32大流域陆地水储量年代际展望的影响,发现超过一半流域在预见期较短时(1-4年预见期)初始条件的贡献要强于边界条件,重要分布在干旱半干旱地区。说明在这些地区增强观测以期削减初值不确定性是进步陆地水储量1-4年尺度展望水平的有用手段。但随着预见期增加,展望技巧的进步更多依靠于削减边值不确定性。作者通过坐标变换改动弹性框架,并用其将耦合模式比较计划(CMIP5)中多模式荟萃的年代际天气回报技巧用于估计陆地水储量的回报技巧,进而提出了一个新的“基准技巧”。研究发现,对于1-4年预见期而言,该基准技巧在25%的流域明显优于基于初始记忆性的传统水文展望技巧,且在7-10年预见期时扩展到了47%的流域。该基准技巧将为评估年代际水文展望提供新标准,为将来展望方法发展提供新起点;且该基准技巧的估算方法可应用于其他水文变量和时间尺度(如次季节到季节尺度),为水文天气展望研究提供参考和借鉴。

  该研究得到国家重点研发计划(2018YFA0606002),国家天然科学基金(41875105)和中国科学院前沿科学重点研究计划(QYZDY-SSW-DQC012)等资助。

  图1. 考虑天气展望信息的基准技巧(左)和基于初值的传统展望技巧(右)。评估对象是各流域4年平均的陆地水储量,评价标准是纳什服从系数,打点流域透露表现基准技巧明显高于传统技巧。

  论文信息:

  Zhu, E., X. Yuan*, and A. Wood, 2019: Benchmark Decadal Forecast Skill for Terrestrial Water Storage Estimated by an Elasticity Framework. Nature Communications, 10, 1237, doi: 10.1038/s41467-019-09245-3

  链接地址:

  https://www.nature.com/articles/s41467-019-09245-3


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