气候模式对海冰反照率参数化的敏感性

在NCAR的通用气候模式(CCM)中,用三种海冰反照率参数化方案,各作一年的模拟试验,与控制试验结果作比较,以检验这些参数化对极地表面温度、行星反照率和云的影响.试验I中所用的1977年春、夏季北极海盆的海冰反照率是从国防气象卫星图像(DMSP)推演得到的.试验Ⅱ将冰沟和融水池部分预先指定并采用反照率加权方案.试验Ⅲ含有相互作用的海冰/雪反照率参数化的耦合,它为表面状态的函数. 结果表明,与控制试验中所用的标准CCM海冰反照率方案相比,预先指定的或假定的“真实”卫星海冰反照率会产生更高的行星反照率.结果在北极地区温度更低(低0.5K),云量增多.标准CCM海冰反照率方案用来调节,以维持极地海洋“正常”温度.冰沟和融水池增暖海冰地区的辐射作用只是短时间的.与控制值相比,第三种方案明显地得出更低的行星反照率(减少0.07到0.17),及较高的表面温度(高2.0K). CCM摸拟出春、夏北极云量逐渐减少,而观测表明,春季云量陡增.因此有必要检验CCM的程序,特别是云的参数化.     

极冰气候效应的数值试验

利用一个大气环流模式（ＡＧＣＭ）和一个全球耦合海气模式（ＣＯＡＧＣＭ）,模拟了北极海冰边界范围的变化对月平均气候的影响。结果表明,极冰边缘的异常完全可以改变中高纬度某些地区的局地气候。受冷源的影响,北半球中高纬度冷高压加强,低纬度暖高压减弱。同时利用一个全球三维大气环流模式,作了海冰反照率参数化的数值试验,用两种不同的海冰反照率参数化方案,检验对地表面温度、海平面气压、极地表面对太阳辐射吸收的影响。模拟试验表明了冰雪圈反照率的反馈作用,对气候变化的影响十分重要。     

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。      

GMS实时资料遥感海冰的研究

利用１９９５年１，２月ＧＭＳ－４的红外亮温和可见光反照率资料，以辽东湾海冰为对象，根据冰水物理特性的差异，建立了冰水识别的判据和冰厚与亮温、反照率的对应关系，反演出冰厚和冰密集度数字分布。结果表明，冰水识别的准确率为８４．８％，冰厚反演误差为３．８ｃｍ，密集度反演误差为２２％。     

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。     

长时间序列卫星遥感渤海海冰时空分布特征及与气温关系分析

利用气象卫星资料整理分析了1996—2011年冬季渤海海冰的时空分布变化:年际统计表明,单日海冰面积最大的3个年份分别是2011、2010和2001年,日最大冰面积均超过30000 km~2;单日海冰面积最小的3个年份分别是1999、2002和2007年,日最大冰面积均不超过10000 km~2。分区统计显示,海冰主要集中在辽东湾,其次是渤海湾,莱州湾最小;辽东湾海冰从东北向西南、从海滨到远海出现频率依次降低;渤海湾和莱州湾从海滨到远海,海冰的出现频率逐渐降低。在此基础上,分析了渤海逐日冰面积与营口站日均气温积温(≤-2℃)及气温的关系,结果表明渤海逐日冰面积与积温、气温之间均为负相关关系,其相关性在不同阶段表现不同:海冰发展期,渤海逐日冰面积与营口日均气温积温(≤-2℃)之间的相关性最为显著,相关系数为-0.90;海冰消融期,渤海逐日冰面积与营口3日(当日与前两日)平均气温的相关性最为显著,相关系数为-0.84;通过回归分析方法获得了渤海逐日冰面积与营口日均气温积温及3日平均气温的线性回归方程。最后,结合积温回归方程和3日平均气温回归方程,提出了分阶段的海冰面积预报方程,并利用该方程对2013和2014年度冬季渤海冰面积进行预报检验,检验结果证明上述方程具有一定的预报能力。     

海冰在大气环流模式中的重要作用

文章简要综述了次网格尺度海冰非均匀性对大气环流模式性能的影响；南极冰在全球环流和短期气候变化中的作用；以及模式中不同的海冰反照率参数化对地表温度和辐射的影响等研究结果．说明海冰对极地海洋和大气的能量收支及短期气候变化有重要作用，不同的海冰参数化方案对气候模拟结果有重要影响．     

北极海冰及其与气候变化的关系研究进展

简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。     

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。     

北极海冰及其与气候变化的关系研究进展

简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。

     

STUDY ON SEA ICE WITH GMS REAL-TIME DATA

By use of GMS-4 infrared brightness temperature and visible albedo data from January toFebruary in 1995,the method for extracting of sea ice parameters is developed.The digital remotesensing picture is obtained on Liaodong Bay.Based on the difference in physical properties betweenice and water,a criterion distinguishing ice from water is set up.Ice thickness has been calculatedaccording to the relationship between ice thickness and brightness as well as albedo.Iceconcentration is retrieved due to the difference on albedo between ice and water.The resultsindicate that the accuracy of ice-water distinguishing is 84.8%,the errors of ice thickness and iceconcentration are 3.8 cm and 22%,respectively.     

STUDY ON SEA ICE WITH GMS REAL-TIME DATA*

By use of GMS-4 infrared brightness temperature and visible albedo data from January to February in 1995,the method for extracting of sea ice parameters is developed.The digital remote sensing picture is obtained on Liaodong Bay.Based on the difference in physical properties between ice and water,a criterion distinguishing ice from water is set up.Ice thickness has been calculated according to the relationship between ice thickness and brightness as well as albedo.Ice concentration is retrieved due to the difference on albedo between ice and water.The results indicate that the accuracy of ice-water distinguishing is 84.8%,the errors of ice thickness and ice concentration are 3.8 cm and 22%,respectively.     

Sensitivity of open-water ice growth and ice concentration evolution in a coupled atmosphere-ocean-sea ice model

A coupled atmosphere-ocean-sea ice model is applied to investigate to what degree the area-thickness distribution of new ice formed in open water affects the ice and ocean properties. Two sensitivity experiments are performed which modify the horizontal-to-vertical aspect ratio of open-water ice growth. The resulting changes in the Arctic sea-ice concentration strongly affect the surface albedo, the ocean heat release to the atmosphere, and the sea-ice production. The changes are further amplified through a positive feedback mechanism among the Arctic sea ice, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), and the surface air temperature in the Arctic, as the Fram Strait sea ice import influences the freshwater budget in the North Atlantic Ocean. Anomalies in sea-ice transport lead to changes in sea surface properties of the North Atlantic and the strength of AMOC. For the Southern Ocean, the most pronounced change is a warming along the Antarctic Circumpolar Current (ACC), owing to the interhemispheric bipolar seasaw linked to AMOC weakening. Another insight of this study lies on the improvement of our climate model. The ocean component FESOM is a newly developed ocean-sea ice model with an unstructured mesh and multi-resolution. We find that the subpolar sea-ice boundary in the Northern Hemisphere can be improved by tuning the process of open-water ice growth, which strongly influences the sea ice concentration in the marginal ice zone, the North Atlantic circulation, salinity and Arctic sea ice volume. Since the distribution of new ice on open water relies on many uncertain parameters and the knowledge of the detailed processes is currently too crude, it is a challenge to implement the processes realistically into models. Based on our sensitivity experiments, we conclude a pronounced uncertainty related to open-water sea ice growth which could significantly affect the climate system sensitivity.     

Midsummer Energy Balance for the Southern Seas

During a ship voyage from Tasmania to Antarctica in summer 2000/01, radiative and meteorological measurements were continuously made, from which the surface energy budget was calculated. Sea conditions throughout the voyage ranged from open water to broken pack and finally to snow-covered unbroken sea ice in McMurdo Sound. The global radiation increased on average during the trip (to higher latitudes) as we travelled poleward. The net radiation, which was positive (toward the surface) on average, decreased however, mostly due to the increase in surface albedo. For open water, most of the net radiation is used for evapouration (61%), while for broken sea-ice conditions, nearly all energy is used for melting of the sea ice or heating of the ocean (96%). For unbroken snow-covered sea ice, the net radiation lies close to zero, due to the high surface albedo, which reached a mean value of 0.81. The sensible heat flux becomes the largest heat source and nearly all the energy is used for warming of the surface. Finally, a Radarsat image, on which the ship track was visible, was used to compare the ship observations with satellite derived ice types.     

渤海海冰数值模式的研究进展

根据渤海海冰冰情,从热力和动力两个方面综述了渤海海冰数值模式的研究进展。从热力参数方案和气候特点上,展望新一代渤海中小尺度短期海冰热力模式;从海冰动力模式中3种常用数值方法的主要特点和实际应用情况上,论述SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法在渤海海冰短期预报的发展前景。在此基础上,结合海洋气象的发展,讨论海冰短期预报的关键技术。将海冰数值预报模式与传统的中长期海冰统计预报有机地结合起来将是渤海海冰模式未来的发展方向。     

冬季北半球大气对秋冬季巴伦支海海冰异常的敏感性研究

基于ERA-Interim再分析资料,借助大气模式CAM4,分析了北半球冬季不同月份的平均大气对巴伦支海不同振幅及不同季节海冰扰动的敏感性,并考察了中高纬度典型大气模态的分布变化情况。结果表明,冬季巴伦支海海冰的减少,会导致湍流热通量异常向上、局地异常变暖及水汽含量的异常升高,且相关异常的强度和范围随着海冰减少幅度的减小而减弱。这种局地响应会通过大气环流调整扩散开来,产生远程影响。具体地,冬季大气环流与欧亚地面温度异常对于不同幅度海冰异常的响应是非线性的,且在不同月份也呈现出不同特征。秋季巴伦支海海冰减少虽未引起局地显著的温度异常,但欧亚大陆温度及环流场异常响应的强度更强、范围更广,这表明秋季海冰可以独立地对冬季中纬度大气产生影响。此外,冬季不同月份西伯利亚高压强度、位置对巴伦支海海冰减少的响应是不同的,北大西洋涛动位相的倾向变化对不同季节、不同振幅海冰减少的响应也不相同。冬季海冰减少时,12月和1月,西伯利亚高压强度更易偏强、位置易偏东,2月则与之相反。与冬季相比,秋季海冰偏少时,西伯利亚高压更易稳定维持在欧亚大陆,晚冬时发生北大西洋涛动负位相的概率增大,但出现极端负位相概率降低。这为了解巴伦支海海冰异常对北半球天气、气候的影响提供了参考。      

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。     

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。