CMIP6模式对北极海冰的模拟及夏季无冰时间集合预估

CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6)共有52个模式提供了历史试验海冰密集度和海冰厚度的模拟数据,其中有35个模式提供了中等排放情景(SSP245)和高排放情景(SSP585)下未来海冰的模拟数据。本文从历史试验中3月、9月以及海冰年内变化模拟的角度综合评估了52个模式,并依据评估结果及1982—2012年预估试验的结果选择了部分模式使用相关约束法及多模式集合平均法预估了北极出现夏季无冰的时间。筛选出排名前19的模式用于预估未来海冰范围。在中等排放情景(SSP245)下,相关约束法预估在2065年北极将会首次出现夏季无冰的情况,而多模式集合平均法预估夏季无冰的情况将于2064年出现,两者预估的时间仅相差1年。在高排放情景(SSP585)下,相关约束法预估在2051年北极将会首次出现夏季无冰的情况,而多模式集合平均法预估夏季无冰的情况将于2050年以后出现,两者预估的时间也仅相差1年。2种方法在使用同样的模式组合时预估的结果相差不大。与其他研究类似,2种情景下的预估仍然存在很大的不确定性。

CMIP6计划中我国地球气候系统模式北极海冰空间分布的模拟评估

世界气候研究计划(WCRP)正在组织实施第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)。本文选取了参加CMIP6的9个中国大陆地球气候系统模式的北极海冰输出结果与同时段海冰遥感观测数据进行比较,评估了各个模式1980年至2014年北极海冰密集度和其长期趋势的空间分布。研究表明,所有的模式都可以较好地模拟出3月北极海盆海冰的分布情况,误差主要分布在海冰边缘地区,其中鄂霍茨克海的中部以及巴伦支海地区误差最大,最高值可达90%。与3月相比,模式对9月海冰空间分布的模拟效果不佳,在北极海盆地区以及海冰边缘地区均存在15%以上的误差。在海冰密集度长期趋势空间分布方面,3月,9个模式总体高估了海冰下降区的海域面积,在鄂霍茨克海、巴伦支海以及格陵兰海北部海域为模式误差大值区(大于50%)。模式在模拟9月海冰下降趋势的区域及量级上较3月都有更大的偏差。另外,9个模式对海冰密集度多年平均季节变化的模拟能力与其对长期趋势的模拟能力有一定关联,对海冰密集度季节变化模拟准确的模式,其海冰长期趋势的模拟也较接近观测。海冰分量模式中参数化方案的改进可以明显提高模式的模拟能力。

基于我国CMIP6模式的北极海冰厚度比较及评价

本文选取了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中的8个中国地球气候系统模式,将这些模式的北极海冰厚度与华盛顿大学的PIOMAS海冰厚度同化产品进行对比,评估了所选模式1980-2014年北极海冰厚度多年平均空间分布和长期趋势,并通过泰勒评分法对各模式的模拟能力进行了量化。结果表明,无论3月还是9月,所有模式均与PIOMAS存在差异,偏差位置主要集中在格陵兰岛北部、巴伦支海、白令海峡附近。模式均低估北极3月和9月海冰中心区域厚度,此外还普遍高估3月海冰边缘区厚度。其中空间分布与PIOMAS最为相近的模式为FIO-ESM-2-0,其次为FGOALS-f3-L模式。海冰厚度的长期趋势表明,海冰厚度整体呈下降趋势,并且9月的下降程度明显大于3月,与PIOMAS长期趋势空间分布最为相似的模式为NESM3。在此基础上,本文进一步对比了82°N以北3种大气再分析资料、1种卫星观测产品与8个CMIP6模式的辐射分量,再分析资料及模式间辐射分量有很大的差别,其中有两个模式的辐射存在明显的异常, FGOALS-f3-L模式3月上行短波辐射和CIESM模式9月上行短波辐射严重偏小,这可能是由于模式模拟存在误差。

MOSAiC现场观测期间海冰厚度季节变化模拟误差分析

北极气候研究多学科漂流观测计划(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate, MOSAiC)于2019年10月至2020年9月开展,期间获得了变量完整的大气、海洋、海冰厚度及积雪厚度观测,为海冰模式的发展提供了新的契机。本研究利用两个完整观测时段(2019年11月1日至2020年5月7日、2020年6月26日至7月27日)的大气和海洋强迫场,驱动一维海冰柱模式ICEPACK,模拟了MOSAiC期间海冰厚度的季节演变,同海冰厚度观测进行了对比,并诊断分析了海冰厚度模拟误差的原因。结果表明,在冬春季节,模式可以再现海冰厚度增长过程,但由于模式在春季高估了积雪向海冰的转化及对海冰物质平衡的贡献,模拟的春季海冰厚度偏厚。在夏季期间,2种热力学方案及3种融池方案的组合都表明模式高估了海冰表层的消融过程,导致模拟结束阶段的海冰厚度偏薄。我们的研究表明,使用变量完整的MOSAiC大气和海洋强迫场可以诊断目前海冰模式中的问题,为海冰模式的改进奠定基础。

基于Icepack海冰柱模式的融池反照率模拟研究

基于Icepack一维海冰柱模式,以2014年中国第6次北极科学考察长期冰站ICE06的3个融池的辐射参量和气象参量的连续观测作为大气强迫数据,对融池反照率及相关参量进行了模拟。本文引入观测的融池深度及海冰厚度作为初始条件,通过考虑融池覆盖率的作用,改进了平整冰融池参数化方案中海冰干舷的计算,修正了冰上可允许的最大融池深度,成功实现了对融池参数变化的模拟;同时,还修正了入射辐射分量比例系数与对应反照率分量权重系数不一致的问题。标准试验中,模拟的3个融池的反照率与观测结果之间的平均误差分别为0.01、0.05和0.13;入射辐射比例的敏感性试验结果表明,当可见光辐射比例增大8%时,融池反照率的模拟结果增大了6%~8%;融池表面再冻结试验的结果显示,当再冻结冰层厚度小于2 cm时,模拟冰面反照率的增加不足0.006,由此引起的表面能量收支减少了约1.1 W/m^(2)。本文研究指出,准确的入射辐射比例对于改善北极海冰反照率模拟是必要的;并指出目前模式仍存在融池表面再冻结参数化、热收支计算、表面吹雪效应等有待解决的问题。

基于巴西盘试验的海冰破坏模式与拉伸强度研究

海冰拉伸强度是寒区海洋工程中的重要设计参数,也是影响寒区船舶及海工结构冰载荷的主要因素。为研究渤海海冰拉伸强度,开展系统的现场巴西盘劈裂试验。试样采用典型的柱状结构海冰,柱状冰晶长轴方向与圆盘的厚度方向相一致。结果表明:海冰拉伸强度对卤水体积、孔隙率较为敏感,随卤水体积的增加呈下降趋势;当孔隙率由85‰降低至10‰时,其拉伸强度由0.25 MPa升高至0.41 MPa;伴随冰温与卤水体积的变化,海冰巴西盘试样刚度表现出显著差异性;试样温度会影响裂纹的扩展速度与裂纹界面形态。研究成果可为海冰拉伸强度测定方法、海冰巴西盘劈裂试验参数研究和寒区船舶与海洋工程结构抗冰设计指标提供有益参考。

海冰与直立结构相互作用的破坏模式研究

海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法(DEM)模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norströmsgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比(结构宽度与海冰厚度的比值)工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明:当宽厚比<10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比<30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。

黑碳对北冰洋积雪和海冰影响的模拟研究

当黑碳沉降到冰雪表面时,可使冰雪表面反照率降低,对短波辐射的吸收增加,黑碳的变化对海冰融化过程的影响值得研究。本文利用CICE海冰模式进行数值模拟,并定量分析北冰洋冰雪中黑碳造成的影响。研究表明,在不同黑碳数据源的强迫下,1980-2014年间,模拟结果给出的夏季北冰洋反照率平均下降为0.82%~1.71%,最终造成海冰面积下降了0.97%~1.93%,而在巴伦支海、喀拉海以及拉普捷夫海,夏季黑碳造成的海冰面积下降约为北冰洋整体的2-3倍。不同黑碳沉降强迫下的模拟结果均显示,1980-1995年,北冰洋区域黑碳对反照率的影响呈现减小趋势,但在1996-2014年,黑碳影响转为增加趋势。在低纬度海区,由于海冰的消退,黑碳的辐射效应呈现减小趋势,而在高纬度海区,由于多年冰内黑碳的累积效应,黑碳的辐射影响呈现增强效应。

北极海冰短期预报和中长期预估模式研究进展

在全球气候变暖的背景下,北极海冰的快速变化对北冰洋的自然环境、水文状况、生态系统等均产生显著的影响。作为全球气候变化的重要指示器,加强对北极海冰未来变化的精确预估将增进对北极乃至全球气候变化趋势的理解和认识。当前,数值模式是有效预估海冰未来变化的主要手段之一,然而由于影响模式准确度的因素众多,模式之间的结果差异较大。因此,本文梳理了目前国内外有关北冰洋短期预报以及中长期预估模式的研究进展,着重对各类模式在北极海冰的密集度、覆盖范围和面积、厚度以及漂移速度等关键要素的模拟精度进行研究,分析了当前模式对北极海冰未来变化趋势的预估,并展望了数值模式在北极海冰预估方面的研究与应用前景。

北极海冰数值预报的初步研究——基于海冰—海洋耦合模式MITgcm的模拟试验

利用最近发展的MITgcm(麻省理工学院通用环流模式)海冰—海洋耦合模式,以NCEP(美国国家环境预测中心)再分析资料为大气强迫场进行了1992年1月至2009年12月北极海冰数值模拟。结果表明,此模式能很好地模拟卫星观测的北极海冰季节和年际变化,具备很好的北极海冰数值模拟能力。以此为基础,对2009年7月和10月北极海冰消融和增长两个例分别进行了4组后报试验研究。试验分别以NCEP再分析气候场、NCEPGFS(全球预报系统)预报资料为大气强迫场,并采用了两种不同的融合SSM/I(专用微波成像仪)海冰密集度的初始化方案。预报结果与SSM/I的对比,以及预报技能分析表明,此模式具备对北极海冰的短时预报能力。大气强迫场的不同对海冰预报的改善不显著,而初始化考虑SSM/I海冰密集度以减少初始误差的预报能更好地模拟出海冰的消融和增长。此外,模式模拟的海冰密集度略为偏高,对海冰冻结过程的模拟能力要优于消融过程。

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。

渤海冰-海洋耦合模式 I.模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上,根据渤海水文、气象和冰情特点,以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础,开发了一个冰-海洋耦合模式.在该耦合模式中,冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的,冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定,还由开阔水的表面热收支决定.侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合,并对模式中一些热力参数进行了讨论.

气候系统模式对于北极海冰模拟分析

利用全球耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)模拟试验的结果,并与观测资料对比分析,评估了CMIP5模式对北极海冰的模拟效果。结果表明:多数模式可以较好地模拟出北极海冰的空间分布以及季节变化特征。1979—2005年北极海冰迅速减少,所有模式均模拟出北极海冰减少的趋势,但减少趋势大小与观测差别较大。在全球变化的背景下,全球地表气温升高1℃,北极海冰的面积减少1.02×106km2,而在模式中减少的北极海冰面积在0.62×106—1.68×106km2之间,说明模式对于北极海冰的模拟仍然存在很多不确定性。

基于质点-网格模式的海冰厚度变化过程数值模拟

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,应用一种质点-网格海冰模式于渤海海域.该模式采用了质点-网格法,有效地避免了传统模式的数值扩散问题.该模式采用了冰厚分布函数,用多种类型冰代替用于渤海业务预报的平整冰、堆积冰和开阔水3-level模式.进行理想场的数值试验,模拟冰厚变化动力过程.还使用该模式和业务预报模式对于实际渤海冰情进行了不同个例的预报试验,发现该模式在提高冰外缘线预报精度方面有一定的优势.

CICE5.0与BCC_CSM2.0模式的耦合及对北极海冰的模拟评估

本文将美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式CICE5.0引入国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0,替代原有的海冰模式SIS,形成一个新的耦合模式。在此基础上,评估新耦合模式对1985-2009年北极海冰的模拟性能,检验引入CICE5.0后对耦合模式中北极海冰、海洋和大气模拟结果的改进。结果表明,引入CICE5.0后,模式能较好地模拟出北极海冰的空间分布、季节以及年际变化特征。相比于旧版本耦合模式,新耦合模式模拟的北极多年冰增多、一年冰减少,同时,海冰增厚、海冰流速减慢,模拟效果得到显著改进,对波弗特涡流模拟的改善尤为明显。进一步分析发现,相比于SIS,CICE5.0对北极海冰特别是海冰厚度模拟性能的提升,在耦合进入BCC_CSM2.0后,会触发冰-温的正反馈机制,改进了模式对海平面气压场、表层气温和海表温度的模拟,由此进一步提高了模式对北极海冰的模拟能力。

一个海冰气耦合模式中格陵兰海海冰年际变异及其成因的个例分析

利用一个全球海冰气耦合模式模拟结果,选取冬季年际变率最大的海冰区———格陵兰海海冰区中的一个4年海冰剧烈变化过程展开分析,试图探讨此个例过程中海冰剧烈变化的原因。结果表明,在此个例中,该区域海冰年际变异主要是由大气环流异常驱动的,海表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。海表面温度变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对海表面温度变化有一定影响。

渤海冰-海洋耦合模式 Ⅱ.个例试验

以渤海1998～1999和2000～2001年度冬季的海冰发展过程为例，采用实时气象数值预报场作为大气强迫，利用渤海冰一海洋耦合模式模拟渤海整个冬季的海冰生消和演变以及渤海冰季冰-气、冰-水和气-水界面的热收支．模拟结果显示大气和海洋的热力效应对渤海的海冰发展非常重要，特别在海冰的冻结和融化阶段，海洋热通量在热力耦合中起着重要作用．模拟还显示了冰覆盖内部区域和冰外缘线附近不同的热力特征，分析讨论了冰区内和冰边缘两个特征点冰厚分布、界面热量收支和海表水温等．

地球系统模式FIO-ESM对北极海冰的模拟和预估

评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)的历史实验对北极海冰的模拟能力,分析了该模式基于CMIP5未来情景实验在不同典型浓度路径(RCPs,Representative Concentration Pathways)下对北极海冰的预估情况。通过与卫星观测的海冰覆盖范围资料相比,该模式能够很好地模拟出多年平均海冰覆盖范围的季节变化特征,模拟的气候态月平均海冰覆盖范围均在卫星观测值±15%范围以内。FIO-ESM能够较好地模拟1979-2005年期间北极海冰的衰减趋势,模拟衰减速度为每年减少2.24×104 km2,但仍小于观测衰减速度(每年减少4.72×104 km2)。特别值得注意的是:不同于其他模式所预估的海冰一直衰减,FIO-ESM对21世纪北极海冰预估在不同情景下呈现不同的变化趋势,在RCP2.6和RCP4.5情景下,北极海冰总体呈增加趋势,在RCP6情景下,北极海冰基本维持不变,而在RCP8.5情景下,北极海冰呈现继续衰减趋势。

海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSI M4),形成新的耦合模式。在此基础上,利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟,来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用,主要表现在:(1)南北极海冰边缘碎冰区显著减少;(2)南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善,分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足:(1)北大西洋海冰相对偏多,北大西洋经圈翻转环流大大减弱,这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的;(2)南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外,本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响,结果表明,相对于CCSM3短波辐射方案,Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷,海冰厚度偏厚,北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。

海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式耦合的实现

通过采用一种较好地考虑了海气通量交换对下垫面特征非线性依赖的通量计算方案,利用较成熟的逐日通量距平耦合方案实现了次网格尺度海冰非均匀条件下一个全球大气环流模式和一个全球海洋环流模式在高纬地区的耦合,并完成了一个50年的长期积分。模拟结果表明,通量计算方案中水道的作用是合理的,耦合模式能较好地模拟出北半球高纬海冰的主要地理分布特征,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度偏大。