最新版海冰模式CICE的优势:基于北极海冰时空特征的评估

【研究目的】海冰模式CICE(Los Alamos sea ice model)作为当前国际上的主流海冰模式之一,已被耦合进了大部分地球系统模式,对该模式模拟能力的评估工作是发展地球系统模式的重要参考依据。【创新点】通过观测数据与不同版本CICE模式对北极海冰数值模拟结果进行对比分析,研究了最新版本CICE6.0模拟能力及优势。【重要结论】CICE6.0模拟结果的年际误差最小,且季节变化与观测值最为吻合。相较而言,CICE4.0严重高估了冬季海冰总面积及低估了夏季海冰总面积,而CICE5.0在冬季的误差明显大于其他版本。此外,我们也关注了三个模式对多年冰和季节冰的模拟效果,从其均方根误差空间分布看出:模拟误差主要出现在中央海区及其周边海域。CICE4.0和CICE5.0在这些区域模拟的多年冰偏少、季节冰偏多,均低估了多年冰的变化趋势,且高估了季节冰的变化趋势;CICE6.0很好地解决了这些问题,其模拟的多年冰和季节冰的趋势最接近观测值,特别在北冰洋中部。总的来说,CICE6.0模拟的北极海冰在各方面都优于其他版本。     

CICE海冰模式中反照率相关参数对北极海冰模拟的影响

国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0最新耦合了美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0,为试验模式中与反照率相关参数的敏感性及其对模拟结果的影响,提高模式对北极海冰的模拟能力,选取海冰模式中3个主要参数进行了敏感性试验。利用以BCC_CSM2.0耦合框架为基础建立的海冰-海洋耦合模式,选取CORE资料为大气强迫场开展试验,试验的3个参数分别为冰/雪表面反射率、雪粒半径和雪粒半径参考温度。结果表明,参数取值的不同对北极海冰的模拟有显著的影响,优化后的取值组合极大提高了模式的模拟能力,主要表现在:（1）改善了对北极冬季海冰厚度的模拟,海冰厚度增大,与观测资料更为吻合;（2）显著提高了对北极夏季海冰密集度的模拟能力,从而模拟的北极海冰范围年际循环与观测更为一致。参数取值的优化改进了模式对海冰反照率的模拟,进而影响了冰面短波辐射的吸收和海冰表层的融化,最终提高了模式对海冰密集度和厚度的模拟效果。      

BCC_CSM北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟的影响

国家气候中心气候系统模式(BCC_CSM)将美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0替代原有的海冰模式SIS,形成一个新版本耦合模式,很好地提高了模式对北极海冰和北极气候的模拟能力.在此基础上,本文评估新耦合模式对1985-2014年东亚冬季气候的模拟性能,检验北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候...     

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(CSIM4), 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。     

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...     

BCC_CSM对全球海冰面积和厚度模拟及其误差成因分析

本文评估了国家气候中心发展的BCC_CSM模式对全球海冰的模拟能力,结果表明:该气候系统模式能够较好地模拟出全球海冰面积和厚度的时空分布特征,且南半球海冰模拟能力优于北半球。通过对比分析发现:年平均海冰面积模拟误差最大的区域位于鄂霍次克海、白令海和巴伦支海等海区,年平均海冰厚度分布与观测相近,在北半球冬季模拟的厚度偏薄;从海冰季节变化来看,模拟的夏季海冰面积偏低,冬季偏高;从海冰年际变化来看,近60年南北半球海冰面积模拟都比观测偏多,但南半球偏多幅度较小,然而北半球海冰年际变化趋势的模拟却好于南半球。另外,通过对海冰模拟误差成因分析,发现模拟的净辐射能量收入偏低使得海温异常偏冷,是导致北半球冬季海冰模拟偏多的主要原因。     

1966～1991年北极海冰模拟结果与观测的对比

利用宇如聪等1995年建立的北极区域冰-洋耦合模式,以1966～1991年期间逐月的月平均实测海平面气温和气压场为强迫场,模拟了上述26年间北极海冰的时间演变和空间分布,着重分析了大西洋及欧洲沿岸一侧的巴伦支海和格陵兰海的海冰状况,并与目前能够得到的北极海冰密集度观测资料做了对比,结果表明:（1）模式对巴伦支海海冰年际变化的模拟是比较成功的,表现在不仅模拟的1969～1979和1979～1987这两个时段的主要变化趋势和观测事实比较一致,而且模拟出了1979和1984这两个多冰和少冰的极端年份。模拟的主要     

FGOALS_g1.1极地气候模拟

对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候 系统模式FGOALS-g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估。结果表明,FGOALS- g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力。但也 注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题：(1) 模拟的海冰总面积北极偏多,而南 极偏少。北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海 海冰偏少。南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少。南北极海冰边缘都存在异常的较大范 围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著。(2) 海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附 近较大。北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成 其附近错误的海冰流场及厚度分布。这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的 联系。进一步分析表明,FGOALS-g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱, 其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差 。此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差。     

FGOALS_gg1.1极地气候模拟

对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估.结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力.但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少.北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少.南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少.南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著.(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大.北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布.这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系.进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差.此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差.     

一个热动力海冰模式的改进与实验

影响海冰变化的物理因素中热力和动力部分是同等重要的，但多数热动力海冰模式的热力部分考虑得较为简单。针对Hibler热动力海冰模式的不足，以1个3层热力模式为基础改进了其热力部分。比较了原模式中的零层热力模式和用于改进的3层热力模式；并应用改进前后的两种热动力模式对1983年的北极海冰进行了模拟。模拟结果表明，海冰厚度比原模式厚，季节变化减弱，海冰密集度与观测资料更为符合。     

北极海冰变化的时间和空间型

利用 4 4a(195 1～ 1994年 )北极海冰密度逐月资料 ,分析提出了一种与北极冰自然季节变化相吻合的分季法 ,并根据这种分季法 ,使用EOF分解 ,揭示了北极各季海冰面积异常的特征空间型及其对应的时间变化尺度。结果表明 :(1)北极冰面积异常变化的关键区 ,冬季 (2～ 4月 )主要位于北大西洋一侧的格陵兰海、巴伦支海和戴维斯海峡以及北太平洋一侧的鄂霍次克海和白令海 ,夏季 (8～ 10月 )则主要限于从喀拉海、东西伯利亚海、楚科奇海到波佛特海的纬向带状区域内 ,格陵兰海和巴伦支海是北极海冰面积异常变化的最重要区域 ;(2 )春 (5～ 7月 )、秋 (11月～次年 1月 )季各主要海区海冰面积异常基本呈同相变化 ,夏季东西伯利亚海、楚科奇海、波佛特海一带海冰面积异常和喀拉海呈反相变化 ,而冬季巴伦支海、格陵兰海海冰面积异常和戴维斯海峡、拉布拉多海、白令海、鄂霍次克海的海冰变化呈反相变化 ;(3)北极冰总面积过去 4 4a来确实经历了一种趋势性的减少 ,并且叠加在这种趋势变化之上的是年代尺度变化 ,其中春季 (5～ 7月 )海冰面积异常变化对年平均北极冰总面积异常变化作出了主要贡献 ;(4)位于北太平洋一侧极冰面积异常型基本具有半年的持续性 ,而位于北大西洋一侧极冰面积异常型具有半年至一年的持续性     

p-·RCM模式对中国区域气候季节变化的模拟

通过对区域气候季节变化的模拟,对p-·坐标系区域气候模式的模拟能力进行了检验。模式较准确地再现了中国区域气候系统的季节性变化特征及中国东部降水带的季节性进退,模拟的各气候区降水的季节变化趋势也与实况基本相符,但模式低估了华东和华南地区的春季降水,而高估了华东、西南和西北地区的秋季降水。     

p—σRCM模式对中国区域气候季节变化的模拟

通过对区域气候季节变化的模拟，对p-σ坐标系区域气候模式的模拟能力进行了检验，模式较准确地再现了中国区域气候系统的季节性变化特征及中国东部降水带的季节性进退，模拟的各气候区域水的季节变化趋势也与实况基本相符，但模式低估了华东和华南地区的春季降水，而高估了华东，西南和西北地区的秋季降水。     

Change of Arctic sea-ice volume and its relationship with sea-ice extent in CMIP5 simulations

由于对未来北极海冰体积的变化研究相对较少,本文利用多模式比较计划模拟的海冰结果,对北极9月海冰体积及其与海冰覆盖范围的关系进行了分析。结果发现,相对于海冰覆盖范围,多模式模拟得到的北极海冰体积的差异跨度更大,但这种差异跨度随着时间的演变迅速减小,表明海冰体积可能是比海冰覆盖范围更为敏感的因子。同时少数几个能够更加合理反映观测的海冰特征与变化的模式的模拟结果显示,在高排放情景下,北极海冰在本世纪70年代时,基本达到了无冰的状态。     

20世纪90年代以来北极海冰减少的热动力分析——基于PIOMAS模式结果

本文利用美国华盛顿大学的PIOMAS海冰模式输出结果,分析了20世纪90年代以来北极海冰减少的动力和热力过程的特征,并探讨了海冰减少与北极大气环流模态之间的关系。结果表明:（1）通过弗拉姆海峡输出的多年冰的厚度自1995年以来有显著减少;（2）海冰的热力过程在20世纪90年代以后特别是21世纪以来是海冰减少的主导因素;（3）大气模态中的北极涛动（AO）和北极偶极子（AD）均对北极海冰的动力输出有影响,各自与海冰输出量的相关关系显著,并且AO和AD的多元线性回归能很好的拟合出海冰输出量的减少。     

BCC-CSM2-MR模式对北极海冰和气候的模拟及预估

基于第六次耦合模式比较计划(CMIP6),使用新一代全球模式BCC-CSM2-MR的历史试验和未来共享社会经济路径(SSPs)数据,依据Hadley中心的海表面温度和海冰密集度数据及NCEP/NCAR I再分析资料,评估了BCC-CSM2-MR模式对北极海冰及北极气候的模拟能力,并对未来变化进行了预估.结果表明:BCC...     

Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF（Polar Weather Research and Forecasting）模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内（海冰密集度小于50%）考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

Downward surface shortwave radiation over the subtropical Asia-Pacific region simulated by CMIP5 models

本文以两套卫星观测资料为参考,评估了15个CMIP5气候模式对亚太地区太阳总辐射(DSSR)的模拟能力,并将亚太地区按经度位置划分成五个子区域来更好地分析模式误差的成因。许多CMIP5模式在海洋上低估了DSSR,而在陆地上却高估了DSSR。除了地中海-西亚(MWA)和中亚(CA),在年平均或季节平均尺度上,地表短波云辐射强迫(CRF)的误差都能很好地解释CMIP5模式中DSSR的主要误差来源:模式在海洋上高估了CRF的影响,而在陆地上低估了CRF的影响。云是影响亚太地区CMIP5模式中DSSR质量的主要因素,但是其在MWA和CA区域的影响相对较弱,特别是在北方的夏季和秋季。     

北极多冰年和少冰年的大气环流差异

本文利用一个改进的海冰热力模式,取北极区大气和有关场的气候资料,模拟了1982年10月至1988年9月的北极海冰空间分布和季节变化的循环特征,较好地模拟出多冰年（1983,1987）和少冰年（1984,1986）。模拟结果与部分研究工作以及实况相比较,基本状况趋于一致。并且在此基础上进一步探讨了北极多冰年和少冰年的大气环境差异,可以看到多冰年的北极极涡偏西半球;少冰年的北极极涡基本是围绕极地。从而进一步影响多冰年和少冰年大气环流差异,特别是对亚洲环流的影响较大。     

一种城市地表能量平衡模式在上海的模拟评估

利用一整年的上海城区常规气象和地表能量平衡观测资料,驱动和检验了局地城市地表能量(水分)平衡模式(SUEWS/LUMPS)在上海地区的模拟能力,并对模式输入参数进行了部分本地化。模拟结果表明,SUEWS模式较好地再现了各辐射通量的日变化形态,对净辐射通量(Q~*)中午日峰值低估约为25 W·m~(-2);模式对四个季节向下长波辐射通量(L_↓)的日变化幅度均被低估,对向上长波辐射通量(L_↑)的模拟明显优于L_↓。SUEWS/LUMPS模式对感热通量(Q_H)各季节(春季除外)日峰值出现时次均有准确模拟,而对Q_H量值各季节均为低估;SUEWS模式在夏、秋季对白天潜热通量(Q_E)的模拟均优于LUMPS模式,而在冬、春季的模拟情况两者接近;SUEWS模式成功再现了储热通量(△Q_S)冬、春、秋季早、晚正负值转换时间,而在夏季滞后了2 h,模拟的△Q_S量值季节差异性较大。对模式误差随气温、风速及风向变化进行分析表明,在较高气温和较大风速下,Q_H、Q_E均表现为低估误差增大,而△Q_S则相反,表现为更显著地高估;风向的影响主要表现为模式未考虑东面密集建筑群而使得Q_H较明显低估约为-50 W·m~(-2),而西侧公园绿地的存在使得Q_H高估约15 W·m~(-2)。