文摘
美国农业部分类植物耐寒性区域根据年平均最低气温在过去一些(目前是1976 - 2005年)时期。由于温度变化,这些值可能受益于更新。我列出一个多步方法涉及归罪失踪站值,地质统计学插值,时间序列平滑更新一个气候变量的期望值相比气候学时期并应用到评估年度最低温度变化在美国相连的。我展示使用追算实验这一趋势评估提供更准确的预测提前1 - 2年最低温度比前30年的意思。我发现年度最低温度增加约2.5倍速度比平均温度(~2.0 K和~0.8 K)自1970年以来,已经平均为1.20.5 K(区域~2 K) 1976 - 2005年的意思,所以大部分地区属于暖耐寒性区相比,当前的地图。发达的方法也可以应用于估计其他气候变量和地理区域的变化。
1。介绍
各种气候变量的期望值在特定的地点用于决策在许多领域。传统上,这些都是基于平均估计在过去一些。如果变量统计固定,长期平均应该导致一个准确的估计的预期值;等趋势的存在,然而,那些与全球变暖有关,这种平均不会最优估计未来期望值(1,2]。
摘要气候变量被认为是一年一度的最低温度,一个重要的行列式的范围特定品种的多年生植物和昆虫过冬可能茁壮成长。美国农业部(USDA)首次推出的地图植物耐寒性区相连的美国(美国)和加拿大南部1960年,其中每个区对应于一个特定范围的年平均最低温度;类似的地图,不同编号的耐寒性区域,早在1938年发表了哈佛大学阿诺德树木园(3]。最近农业部耐寒性区为美国和波多黎各地图更新,发表在2012年1月,是基于在1976 - 2005年平均最低气温约8000可用的气象站,插值比1公里分辨率精细考虑等因素高度和距离海岸线(4]。年度最低温度映射在大部分的美国订单1.4 K温度比之前的美国农业部地图,它在1990年发行,并基于1974 - 1986年的平均水平,尽管1990年和2012年的版本之间的差异不一定是气候变化的结果,因为插值方法也发生了变化。已经变暖,然而,证实了通过对比地图准备新的气候学的两半期,1976 - 1990和1991 - 2005年(4]。全球耐寒性区域地图也已经准备好了,基于1973 - 2002年站平均每月平均温度和使用网格插入稀疏站覆盖的地区(5]。这些耐寒性区地图范围的广泛应用于分析植物和害虫物种和种植的配方建议(6- - - - - -9]。
很少有系统的研究观察到的年度最低温度的变化,而许多研究的趋势意味着温度。卡尔等人。10)发现年最低温度增加的趋势,但不是年度最高温度,超过美国和前苏联。翟et al。11)发现,冬季最低气温在中国电视台显示线性趋势越来越达2.5 K / 1951 - 1990年期间,虽然夏季气温没有增加。Knappenberger et al。12]发现线性变暖趋势在每日最低温度在1970 - 1997年期间美国站是最强最冷的年度范围的一部分。麦肯尼et al。13)量化的线性趋势年度最低温度在加拿大期间1961年至2000年,发现平均增加了2.2 K /周期在西部省份(更大的),他们的注意超过公布年平均温度增加。沈et al。14]研究日常温度异常的前四阶矩的趋势在毗连的美国1901 - 2000年期间,发现冬季气温超过夏季气温增加,每日最低温度超过每日最大值增加,温度异常时间序列的方差也降低了。
在这项研究中,我试图量化趋势年度20世纪初以来最低温度和评估如何适应当前映射耐寒性区域占这些趋势。我的兴趣是在趋势(即。,systematic shifts between time periods, including nonlinear change patterns), rather than in actual annual minimum temperature at a given location. While temperatures show pronounced differences over small spatial scales, as captured by the latest USDA map, trends in mean temperature tend to have spatial scales of hundreds to thousands of km [15),在这里我将证明这是真的趋势年度最低温度。我显示结果为与美国相连的早期作品,因为可用的密度相对较高的天气数据,尽管我做了少许修改方法可以应用到任何地区足够站数据。我表示年度最低温度的变化相对于1976 - 2005年的平均水平,补充最近农业部发布,还研究了当前的总变化从一开始变暖时期约1970。
2。方法
2.1。站数据
源的温度观测是一个当前版本的每日全球历史气候网(GHCN-Daily,ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/ghcn/daily/)。GHCN-Daily编译的地面气象观测数据从不同的来源,早在18世纪,近实时更新的免费,由美国国家气候数据中心(NCDC)。数据标记为失败的任何自动质量控制测试(16,17被拒绝。提供的车站位置被国家代码映射,检测10例明显错误的经度或纬度;这是纠正这种分析和报告给美国国家气象资料中心未来版本的好处。
年度最低温度超过一年计算的每日最低温度最低,在给定站记录。年度最低温度被认为是失踪,如果在这一年中任何一天最低温度是缺少一个给定站记录。年3月一开始就定义因为在北方情理之中,年最低温度几乎总是发生在12月和2月之间。(因此,官方记录的最低温度是美国本土48个州的州(http://www.ncdc.noaa.gov/extremes/scec/)上设置日期12月22日和2月17日之间不等。)结束今年2月允许计算一个新的年最低温度时间序列数据点早在3月,利用GHCN-Daily的实时更新。年而不是定义为从今年7月开始,在计算美国农业部耐寒性区域(4),导致了几乎相同的结果的研究区域相连的美国。
只有站至少30年的年度最低温度数据。这给了2733,其中1065是相连的美国(图1;插值使用所有显示的电台,不仅仅是相连的美国)。所有可用年至少有5站包含在分析步骤,虽然因为数量限制的站在(图分析的开始时期2自1900年以来将显示),只有结果。
虽然GHCN开发了一个homogeneity-adjusted月度温度产品(18这里使用),每日温度系列是不可能出现的非均质性调整的,例如,从改变站选址或观察实践。部分检查的敏感性,我估计趋势等,非均质性进行了额外的分析电台的使用仅限于向在美国历史气候网(USHCN),一组站监测气候变化专门选择在美国由于他们长高质量记录(http://cdiac.ornl.gov/epubs/ndp/ushcn/ushcn.html)[19]。实施这种限制了可用421电台的一个子集。
2.2。填缝
为选定的电台,失踪的年平均气温值估算,生产完成时间序列的年度最低温度;这样做是为了减少的影响随着时间的推移改变电台报道估计区域趋势。我选择了一个基于奇异值分解的归责方法(计算),该病毒变体进行基因组学和数据挖掘应用程序(20.,21]。该方法包括以下。(1)构造一个矩阵站的年度最低温度,站的数量和吗的年数。(2)中心从每一行减去均值。记录的最大和最小值为中心的矩阵。(3)填写缺失的值与相应的年平均值。(这个初始化任何长期趋势所建议的可用。)(4)找到薄圣言(22,72页)的。(5)每年指数,重新计算相应的行通过回归值已知的站那一年;如果一组指标可用的电台是由,解决线性问题对未知的行的。(6)计算。限制的元素之间的距离。(7)计算迭代增量作为,规范是向量2-norm(均方根)丢失的元素,矩阵的平均值减去吗在步骤。(8)集。已知的元素在他们的观测值。重定位。(9)迭代步骤(4)-(8),直到在一个指定的公差水平。(这里迭代,收敛后发生大约30)。
限制在步骤(6)防止偶尔迭代发散。据推测,取而代之的可能是一个合适的正则化约束在回归步骤(5),也可能只可以细化过程通过使用地理位置填写每个值附近的车站子集,类似于数据同化当地的实现对数值天气预报23]。
2.3。插值
经验相关的年度最低温度之间的双站(只使用年这两站数据)被绘制为电台间的距离(图的函数3)。如上所述的平均气温和水面气候变量(15,24),相关长度尺度通常是几百公里。一笔三个高斯函数拟合模型的电台间的协方差: 在哪里是两个站之间的距离。站方差被送往 这里,第二项代表站的“金块”组件变化将影响不共享的附近的车站(如小气候或测量技术)和包括一个调整车站观察报道(如分析时期)的一小部分downweighs站有更多值估算,而不是观察到。参数的值,决心的加权平方和最小化建模之间的差异和经验协方差可用双站(图3),经验协方差是平均值(28公里)范围和距离加权根据这些平均值的标准误差。
普通克里格(25)是用来插入每年的年度最低温度网格基于gap-filled站在毗连的美国价值观和模型协方差矩阵。USA-wide年度最低温度时间序列也计算,使用面积加权平均的网格点。
2.4。趋势的估计
年度最低温度时间序列获得每个网格点或美国,寻求形式分解 在哪里是一个平稳的趋势组件和是每年的天气变化,基本上是不相关的。估计使用平滑和自然三次样条边界条件(26),平滑的正则化参数,确定选择的纠正Akaike信息准则(AICC) [27]。近似点态标准错误估计趋势得到以下(28]。
为了检查结果是否敏感的趋势估计方法,另一种平滑的方法尝试是一个局部线性回归估计量(29日),高斯权重通过AICC内核的尺度参数估计。另外,广义交叉验证(30.)是尝试而不是AICC选择平滑样条正则化参数。
2.5。追算实验:端到端测试
趋势估计得到的吗网格通过填空、插值和平滑过程改进的预测实际station-measured年度最低温度,而仅仅使用(如当前美国农业部过程)基于均值的气候学前几年的观察?为了找到答案,我比较两种方法的倒推法站的年度最低气温仅使用前一年的观察。第一种方法(气候学追算)使用前30年的均值可用的值作为预测指标。第二种方法(趋势追算)添加到气候学预测修正等于去年的趋势值之间的差异网格单元的车站位于气候学和它的价值。只有数据从年前追算目标中使用填缝,插值和平滑步骤获取这一趋势。
追算值获得所有可用相连的美国电台与观测的比较和自1980年以来,共有11465名追算机会滞后1年和10854年两年的滞后。对于追算方法、均方根平均绝对值,和平均(偏见)的错误(追算减去实际值)计算。
3所示。结果
3.1。美国温度趋势
图4显示了年度最低温度,平均相连的美国,相对于1976 - 2005年的基本期。几十年来在这个空间规模、趋势相同大小的年际变化,这是1.5 K。multidecade变异性定性类似出名的是平均温度,但由于一般大的振幅(如下所示)。年度最低气温上升0.7 K 1900年和1940年之间,然后下降0.1 K到1970年。自1970年以来年度最低温度增加了~ 2.0 K和2011年1976 - 2005 K以上意味着(1 -σ不确定性的趋势(图)4)。趋势年度最低温度越高到2011年比1976 - 2005年在美国相连的意思是一致的,但是全球变暖大小不等0.5 K在西南地区和中西部地区在阿巴拉契亚山脉南部(图2 K5(一个))。考虑周期自1970年以来,年最低气温的变暖是在1.5 - -2.5 K /大多数相连的美国(图5 (b))。
(一)
(b)
也可以看看特定年度最低温度异常年,除了这一趋势。平均在毗连的美国2011 - 2012年似乎是自1900年以来最热的(在年度最低温度),在3.8 K以上1976 - 2005的意思是;下一个最热年1999 - 2000 (+ 3.2 K), 1930 - 1931 (+ 3.1 K),和1991 - 1992 (+ 3.0 K)(图4)。自1900年以来最冷的一年是1962 - 1963,在4.4 K以下1976 - 2005的意思是(不过,有趣的是,没有当前状态,冬天最低温度记录日期),紧随其后的是1984 - 1985 (−3.7 K), 1961 - 1962 (−3.4 K),和1911 - 1912 (−3.3 K)。网格异常可以被映射到显示异常的区域分布,如图6为极端的1962 - 1963和2011 - 2012年。不确定性(1 -σ)从克里格估计个人年相关矩阵的值是1 K为单独的网格点和0.1 K USA-wide的意思。
(一)
(b)
自1970年以来获得的年平均温度增加,自1976 - 2005年的基本期非常相似,如果只有USHCN站,在2.1 K和1.4 K,分别,而当所有HCDN-Daily 2.0 K和1.2 K站(图7)。同样,增加类似如果局部线性回归样条平滑用于趋势的估计,在2.0 K和1.4 K,分别,或者广义交叉验证用于平滑样条参数估计而不是AICC(2.0和1.3 K;没有显示)。自1970年以来每年增加的最低温度大于年平均温度的增加(与HCDN-Daily电台使用相同的计算方法用于年度最低温度),只有0.8 K(图7)。一般来说,每年的最低温度增加了约2.5倍,年平均温度自1900年以来(图8)。请注意最小和平均温度之间的线性关系图所示8完全是由于这两个时间序列的趋势成分(如图7);如果这些组件是减去趋势,那么每年的年最低气温异常与年平均气温异常没有显著相关性(,而不是绘制)。
3.2。追算实验
多年平均自1980年以来,车站的气候学追过去30年的平均最低气温低而有所偏袒1 K(表1),与重建的变暖趋势。趋势追算,添加数据重构仅基于趋势1或2年之前追算,减少偏差的大小90%,也降低了均方根误差和2%的平均绝对误差4%(表1)。检查气候学和趋势追个人站显示,1980年代后趋势预测往往是气候学之上,而且通常更好的追踪观察:两个例子,一个在南,一个在北方的研究区域,如图所示9。注意个人站,最低温度年变化是高于全国平均水平,主导着追算错误,因此,尽管趋势调整提高追算质量减少偏见,均方根和平均绝对误差减少相对较少。
(一)
(b)
4所示。讨论
这里描述的方法来估计趋势从相对稀疏,暂时不完整站数据应该具有普遍适用性的最高温度和降水等气候变量,尽管一些细节,如下降的形式在电台间的协方差距离不同的气候变量时可能需要调整。我的方法可能是有用的在生长季长度等更新以数量和加热程度天找到各种各样的应用程序,也改变31日- - - - - -34),以及基于预期标准基础设施设计和适应极端气候(35]。这种方法同样可以被扩展,跟踪植物耐寒性的替代措施的迁移,如加拿大,气候信封或经验确定了特定的植物物种;这些措施可能包括降水和风速等气候变量的函数除了年度最低温度(36- - - - - -39]。
这种方法要优于在一般性别人提出了减少气候学的偏差估计气候变化的预期值。相比“最优气候法线”方法寻找预期值,在气候学平均周期缩短减少trend-induced偏差(40),我的趋势估计方法能够减轻偏差没有失去长期记录中包含的信息,这可以提高准确性。相比“铰链适合”提出的气候法线推断Livezey et al。1),假设一个固定期望值1975年前气候变量和一个线性变化之后,我的方法的趋势估计平滑样条的优点是允许非线性趋势在最近几十年,允许早期估计的波动预期值(如气候变暖见过1900年和1940年之间)。
为了衡量多少信心可以放在气候模型模拟未来派生的气候变化的不同数量的兴趣,如耐寒性区和特有的气候信封(41],它可能是有用的明确的比较趋势出现在几十年来这些量与模型模拟和判断气候模型可以复制,例如,一些2.5倍的速度增加年最低温度相比,平均温度在毗连的美国。与早期的研究一致(42,43),最近的一项分析显示,月平均气温的季节性周期的振幅下降在1954 - 2007年期间的温带continents-implying冬季变暖的速度比萨默斯和这个下降速度比所示的IPCC AR4合奏的气候模型(44]。更广泛地说,一个可能会考虑比较变化在整个温度的概率分布模型和观测集作为一种温室效应反馈实现更深的理解在不同的条件。
快速增加的物理解释年最低温度需要详细调查。当然冬天积雪反照率反馈是一个可能的因素放大的变暖在美国部分地区有明显的冬季积雪(45]。另外,已经恰尼等。46]提到温室效应在表面冷反演下将更大,很可能会发现在最冷的天;最近,冷反演被认为是不成比例的冬季变暖的北极的一个因素(47]。
美国的特定应用程序的描述植物耐寒性区域,我发现年度平均最低气温已经一些1.2 K高于1976 - 2005年的基本期用于最新版本。鉴于耐寒性half-zones定义每隔2.8 K (4),这将表明,超过三分之一的国家已经half-zones而转移到当前版本和五分之一已经完整的区域。因为大部分颞可变性的年度最低温度是相干尺度的几百公里(图3),解决当前分析可能足以使定期调整高分辨率的年度最低温度农业部地图估计时间趋势,为园艺家提供最新的指导。
为了使这里提出的采用和修改程序,使用的计算机程序下载数据,归责缺失数据的插值,平滑,用计算机语言编写的八度音阶(48),一个开源许可下可用http://www-ce.ccny.cuny.edu/nir/sw/climfit/。
5。结论
我已经表明,预期值的年度最低温度在毗连的美国大大改变了过去一个世纪,在年度最低温度年际变化和趋势可以从可用每日站数据映射,这占估计趋势改善追观察年度最低温度。这一趋势估计过程可用于提供每年更新耐寒性区域地图基于预期每年的最低温度。类似或相同的方法可以用于改善其他气候上派生的预测量,而使用一些过去的统计数据的替代基线期没有调整的趋势。
确认
这项工作受益与艾伦•贝茨讨论皮埃尔Gentine,亚历山德拉Giannini。索尼Pradhanang,鲍里斯•Shmagin亚历山大•斯坦和布赖恩Tkatch回顾和评论论文的草稿。这项研究是由美国国家海洋和大气管理局授予NA11SEC4810004之下。陈述作者的观点并不是资助机构或美国政府的意见。