适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战

刘骥平,雷瑞波,宋米荣,徐世明,季顺迎,苏洁,李志军,王晓春,朱珠⑨,杨朝渊

① Department of Atmospheric and Environmental Sciences,University at Albany,State University of New York,Albany 12222;② 中国极地研究中心 自然资源部极地科学重点实验室,上海 200136;③ 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,北京 100029;④ 清华大学 地球系统科学系,北京 100084;⑤ 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连 116023;⑥ 中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛 266100;⑦ 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;⑧ 南京信息工程大学 海洋科学学院,江苏 南京 210044;⑨ 中国科学院大学,北京 100049;⑩ 中山大学 大气科学学院,广东 珠海 519082; 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519080

*联系人，E-mail:jliu26@albany.edu

极地海冰是地球气候系统的重要组成部分。全球海洋约有7%被海冰所覆盖。海冰的高反照率大大减少了极区海洋对太阳辐射的吸收,使极地成为全球气候系统的冷源;海冰的存在,阻碍了海洋与大气的直接联系,大大减弱甚至阻止了大气与海洋间热量、动量、水汽、CO2等的交换;海冰融化使得海洋表层盐度降低,而海水冻结析盐使得海洋表层盐度增加,这直接影响着海洋深层水的形成及对流强度(如:北大西洋深层水和南极底层水),进而影响海洋经向翻转环流(图1)。极地海冰通过其特有的热力和动力学过程及其反馈机制,在区域和全球气候变化中起着重要的作用(Walsh,1983)。

海冰模式是地球(气候)系统模式中的一个重要分量模式,它与大气、海洋和陆面模式的区别主要在于海冰的物理特性差异(如:热力学规律、流体特性),其模拟准确性直接影响着地球(气候)系统模式的可靠性。目前,海冰模式在大气-海冰-海洋相互作用和冰内质量、能量及相平衡等关键物理过程研究、短期和季节海冰预测、以及长期气候变化预估中得到了广泛的应用。海冰包含着极其丰富而复杂的多尺度物理过程(图1),其尺度范围从毫米到厘米级的冰结晶结构、卤水和气泡微结构、冰上积雪颗粒结构和海冰析盐通道,到数十厘米至数十千米级的不规则冰块(浮冰尺寸分布),再到上千公里级的海冰环流及其伴随的淡水输运。海冰的生长、融化、运动和形变是紧密相连的。海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的缺乏,给海冰模式的研发提出了巨大的挑战。尽管在过去的几十年里,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程的表征在海冰模式中取得了重大的进展,但海冰模式对某些重要热力和动力过程的描述仍很不完善。近年来极地气候发生了显著的变化,特别是海冰,这使得海冰模式的一些关键物理参数化方案不能适应和准确模拟极地海冰的多尺度变化。

图1 大气-海冰-海洋相互作用和冰内质量、能量及相平衡的多尺度过程示意图Fig.1 Schematic diagram of multi scale processes of air-sea ice-ocean interaction and mass,energy and phase equilibria in ice

本文介绍了海冰模式的发展历程和现状,阐述了极地海冰快速变化给海冰模式带来的挑战,并讨论了适应极地快速变化海冰模式的改进和发展研究方向。

1 海冰模式发展历程和现状

尽管科学家已经对海冰对极地和全球气候影响的基本情况进行了半个多世纪的研究(Fletcher,1965,1969),但与大气、海洋和陆面模式相比,受制于观测匮乏,海冰模式的发展一直相对滞后。海冰模式发展始于20世纪60年代,可以分为热力模型、动力模型和厚度分布模型三个组成部分。

基于20世纪50年代末国际地球物理年(International Geophysical Year)获取的有史以来最大规模的极地观测数据,Untersteiner(1964)开发了一个简单的一维海冰热传导、生长与融化模型。在此基础上,Maykut and Untersteiner(1971)考虑了冰上积雪、冰盐度(卤水)效应、短波辐射穿透冰层的能量变化、冰密度、热传导率、比热和冰温的垂直变化等,建立了更为复杂的一维热力学模型。Semtner(1976)简化了海冰热力学模型的冰雪内部计算,形成了一个更适用于三维模拟的零层及三层模型。

Campbell(1964)探讨了海冰运动速度的数学求解方法,及影响海冰运动的风应力、海流应力、海表高度梯度力、科氏力和冰内应力参数化的选择。在影响海冰运动的五种力中,冰内应力存在最大时空变化特性,是海冰动力学模拟的难点,尤其是在海冰密集的区域。这主要是由于海冰具有两个重要特性:抗压缩性和抗剪切性,不充分考虑这两个特性会导致海冰运动和形变的模拟欠佳。20世纪70年代的北极海冰动力学联合试验(Arctic Ice Dynamics Joint EXperiment)极大地推动了海冰动力过程的研究(Coon et al.,1974)。Hibler(1979)创造性地采用粘-塑性(VP)流变本构模型来模拟海冰小尺度形变和内部应力,并将其引入海冰模式。

极地海洋包含着不同厚度类型的海冰,从冰间水道、薄的季节冰到厚的冰脊。Thorndike et al.(1975)基于北冰洋中心海域浮冰站的数据,发展了一个海冰厚度分布函数,用来描述由于冻结、融化和动力过程引起的冰厚分布及其演变。动力过程允许较薄的冰产生形变,从而重新分布到较厚的类型上,热力过程通过不同厚度冰的增消,从而在不同类型间重新分布。这个模型提供了一种将冰厚分布和海冰热力与流变学耦合的方法。

20世纪70年代,Bryan et al.(1975)和Manabe et al.(1975)开始尝试在全球大气和海洋耦合模式中对海冰进行三维模拟。到80年代,海冰模式才逐步被引入大尺度气候模式中。但是早期的气候模式大多将海冰视为一种白色(没有考虑不同海冰表面反照率的差异)、零热容量(没有考虑海冰的热库效应)和厚度均匀的静止或自由漂移介质(没有考虑海冰内部应力)。这主要是由于当时的认识和条件所限:1)海冰的重要性被简单看作是由海冰-反照率-温度正反馈作用所决定;2)气候模式研发人员认为已有的海冰热力和动力模型过于复杂,且计算要求较高;3)极地海冰物理过程的观测严重不足,特别是缺乏气候模式网格尺度上的观测(数百公里)。因此,大尺度气候模式中的极地气候模拟主要根据海冰反照率的变化而改变。在此期间,气候模式研发人员的需求与小尺度海冰物理过程研究和模拟人员的关注重点存在显著的脱节。气候模式研发人员更关注的问题是:1)哪些物理过程对气候和长期变率更为重要;2)气候模式是否可以使用简单的经验方法来进行合理的大尺度模拟,而不必考虑小尺度过程的模拟;3)多个小尺度过程的净效应是否可以在大尺度上被有效地参数化。尽管Parkinson and Washington(1979)建立了一个能与具有类似分辨率的大气和海洋模式耦合的大尺度海冰热力-动力模式,但鉴于大部分海冰物理过程高度依赖于尺度,当时没有系统地将较高分辨率的较为详细的热力和动力过程的描述拓展到较低分辨率的气候模式中。

20世纪90年代,在海冰动力学方面,Flato and Hibler(1992)简化了粘-塑性本构模型,将海冰当成空化流体进行模拟;Hunke and Dukowicz(1997)发展了一个弹-粘-塑性(EVP)流变学方案,计算效率有了大幅提高;Zhang and Hibler(1997)对粘-塑性模型做了改进,使其计算更有效并且可并行化。随后,气候模式研发人员才采用这些计算效率高的流变学方案来改善对海冰形变和输运的模拟。在海冰热力学方面,Ebert and Curry(1993)发展了物理过程更为完备的一维海冰热力学模式,包括依赖不同表面状态(显式的融池)的反照率、设置最小水道面积及其对太阳辐射的吸收、海冰侧向积聚和消融等,并指出气候模式必须能够适当地体现海冰各种反馈过程;Bitz and Lipscomb(1999)进一步考虑了海冰盐度(卤水)效应对冰焓的影响,并发展了相应的能量守恒热力学模式。

与此同时,国际联合极地科学考察的实施,如:北冰洋表面热量收支(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)、南极海冰过程与气候计划(Antarctic Sea ice Processes & Climate)、国际极地年、新冰多学科观测(N-ICE2015)等,为研究海冰物理过程提供了更全面的观测数据(http://aspect.antarctica.gov.au/_data/assets/pdf_file/0005/59126/ASPECT_SciImplPlan.pdf;Perovich et al.,1999;Gascard et al.,2008;Granskog et al.,2016),对海冰模式的研发起到了重要的推动作用。借助于这些数据,海冰模式中的许多热力和动力参数化过程都得到了改善。

在海冰热力学方面,Taylor(2004)建立了一个双流辐射模型,并根据海冰、融水和重新冻结融池三层光学性质来计算反照率。Briegleb and Light(2007)构建了Delta-Eddington多重散射辐射传输模型,以处理太阳辐射与雪和海冰之间的相互作用。基于SHEBA观测数据,该模型确定了雪、海冰和融池的固有光学特性(如:消光系数、单散射反照率),用来计算反照率、辐射在雪和海冰中的吸收及向底层海洋的传输。Flocco and Feltham(2007)将融池的面积视为示踪物,根据模拟的冰厚分布来近似表征海冰地形,并将融水分布到冰面的凹陷处来计算融池体积。融池渗流通过冰层的孔隙垂直排出,当表面能量平衡为负值时,融池会重新冻结。Vancoppenolle(2005)发展了一个一维模型来模拟北极海冰从一年冰向多年冰转变的析盐过程。Feltham et al.(2006)和Hunke et al.(2013)在海冰模式中引入了基于糊状层物理原理计算冰盐度垂直分布,并对重力排泄、融水冲洗和雪转化为冰的过程进行了参数化设计。

在海冰动力学方面,基于粘-塑性(VP)流变学模型,许多研究对海冰动量和材料特性更深入的物理描述进行了改进,并发展出了新的海冰动力学模型,包括:拉格朗日离散元方法(Hopkins,2004;Hopkins and Thorndike,2006),光滑质点流体动力学(Lindsay and Stern,2004),弹性-非粘性连续流变学(Sulsky et al.,2007)和弹-塑性渐进破坏流变学(Girard et al.,2010)。随着网格分辨率的提高,各向异性的流变学也逐渐得到发展(Coon et al.,2007)。

在海冰厚度分布方面,由于早期的拉格朗日厚度分布模型在实际模拟过程中可跟踪的冰厚类型有限,Hibler(1980)和Lipscomb(2001)发展了厚度范围模型(即Bin模型),并进一步采用Bin内分段线性模型来缓解Bin模型的数值不稳定性。

与此同时,美国和欧洲的研究机构充分认识到在全球气候模式中使用过于简化的热力-动力海冰模式不能很好地再现实际的极区大气-海冰-海洋相互作用。因此,开始积极开展适用于全球气候模式的海冰模式研发。目前,国际上主流的独立海冰模式主要有三个:CICE、LIM和SIS。

Los Alamos sea ice model(CICE)海冰模式由美国能源部的洛斯阿拉莫斯国家实验室于20世纪90年代中期开始研发(Hunke and Lipscomb,2010;Roberts et al.,2018)。该模式是一个动力-热力学海冰模式。通过广泛的海冰模式研发国际协作,CICE模式不断得到改进、更新和修正。最新的版本是CICE6.1.4,其动力模型具有两种流变学选择:弹-性-粘塑性(EVP)和弹性各向异性塑性(EAP),用于计算冰的运动和形变;运输模型用于计算海冰密集度、体积和其他状态变量的平流过程;热力学模型具有两种方案选择:Bitz-Lipscomb和Mushy layer,用于计算由于生长和融化导致的冰雪变化,以及由于辐射、湍流和传导等通量引起的垂直温度分布变化(其中有两个参数化选择来计算积雪、裸冰和融池冰的表面反照率以及短波辐射通量的吸收和传输;三个参数化选择来计算融池);次网格尺度冰厚分布用于计算热力和动力特性在不同类型间的重新分配。CICE是目前是国际上考虑物理过程最完善的海冰模式。

Louvain-la-Neuve sea ice model(LIM)最初是由Fichefet and Morales-Maqueda(1997)开发的海冰模式,包括基于粘-塑性流变学的动力学、三层热力学、二阶守恒矩平流方案和其他海冰物理参数化。随后,LIM被改写形成LIM2(采用Fortran90),并被整合进了海洋模式NEMO中(Timmermann et al.,2005)。21世纪初,LIM2得到了改进,最新版本的LIM3.6能更好地描述次网格尺度的物理过程,包括:冰厚分布、卤水动力学及其对热学性质的影响、改良的弹性-粘塑性(EVP)流变学方案(Bouillon et al.,2013)。LIM3.6在热力参数化和实现细节方面与CICE6.1.4存在很大不同。

Sea Ice Simulator(SIS)是美国地球流体动力实验室发展的一个动力-热力学海冰模式(Winton,2000),最新的版本是SIS2(Adcroft et al.,2019)。SIS2中的热力学模型与CICE4.1相似(采用类似Semtner的三层热力学模型),动力模型采用Bouillon et al.(2013)发展的弹-粘-塑性流变学方案,厚度分布模型采用基于拉格朗日方案的五类海冰厚度。SIS2在热力参数化和实现细节方面要比CICE6.1.4简单。

表1给出了参加最新一轮国际耦合模式比较计划(CMIP6)全球地球(气候)系统模式海冰分量模式的来源。CMIP6是CMIP计划实施20多年来参与模式数量最多的一次。其中,大多数地球(气候)系统模式使用的是不同版本的CICE海冰模式。

与国内大气、海洋和陆面模式研发相比,我国在海冰模式研发方面起步较晚。20世纪90年代,国家海洋环境预报中心在国外海冰流变学和热力学研究的基础上,开发了适用于渤海冰情的海冰动力-热力学模式,实现了渤海海冰数值业务化预报。近年来,国家海洋环境预报中心引进了美国麻省理工学院的MITgcm海冰-海洋耦合模式,开展了极地海冰预报业务(杨清华等,2011)。20世纪90年代后期,中国科学院大气物理研究所在国内率先开展了大气-海冰-海洋耦合模拟研究,利用耦合气候模式研究极地海冰的季节变化特征(张学洪和俞永强,1997;刘钦政等,2000;刘喜迎等,2003)。然而,我国的地球(气候)系统模式一直以来都直接使用国外发展的海冰模式,包括美国的CICE和SIS(见表1)。21世纪初,中国科学院大气物理研究所针对CICE4海冰模式,改进和发展了更为合理的海冰热力学参数化方案,包括:海冰反照率、海冰中盐度分布及其守恒、太阳辐射在海冰中的传输、海冰-海洋界面的热通量交换(王秀成等,2010)。改进的CICE4海冰模式应用于中国科学院大气物理所、自然资源部海洋第一研究所和北京师范大学的气候系统模式中,改善了对极地海冰的模拟,但极地海冰和气候模拟能力与国际先进的气候系统模式相比仍存在一定差距。从表1可以看到,目前我国最新的地球(气候)系统模式的海冰分量模式大都采用的是十年前开发的CICE4模式。我国参加CMIP6模式模拟的北极和南极海冰覆盖范围存在非常大的分歧,与卫星观测也存在较大偏差(图2)。此外,我国真正从事海冰模式研发的人员匮乏,尚未形成具有竞争力的研究队伍,模式发展缺乏系统性支持,对我国自有极地观测资料的利用水平较低。

2 极地海冰快速变化给海冰模式带来的挑战

伴随着全球气候变化,北极海冰快速减少(Serreze et al.,2007;Comiso et al.,2008;Cavalieri and Parkinson,2012;Thoman et al.,2020)。北极海冰覆盖范围在所有月份都呈减少趋势,最大的负趋势出现在9月。自20世纪70年代末至今,9月的北极海冰范围减少了约50%(图2a)。值得一提的是,最近14 a的最小值是有卫星观测记录的42 a中最低的。美国国家航空航天局的ICESat和欧洲航天局的CryoSat2观测表明,伴随着海冰范围的减少,北极海冰的厚度也在显著变薄(Kwok and Rothrock,2009;Laxon et al.,2013;Kwok and Cunningham,2015)。自20世纪70年代末至今,北极海冰平均变薄了约50%(约1.6～1.7 m),这主要是由于较薄的一年冰逐渐取代了较厚的多年冰(Maslanik et al.,2007,2011;Giles et al.,2008;Comiso,2012)。浮标和卫星观测显示,伴随着海冰的变薄,海冰漂移速度在加快。1950年以来的浮标和漂移冰站数据显示,尽管风强迫没有显著变化趋势,但北冰洋中部的浮冰漂移速度却有所增加。自20世纪70年代末有卫星观测以来,北极海冰平均漂流速度冬季每十年大约增加17%,夏季每十年大约增加8.5%(Hakkinen et al.,2008;Rampal et al.,2009)。

表1 参与国际耦合模式比较计划(CMIP6)的地球(气候)系统模式的海冰分量模式

图2 卫星观测的(粗黑线)以及参与CMIP6的中国9个地球(气候)系统模式模拟的北极(a)和南极(b)年均海冰覆盖范围Fig.2 Average annual sea ice coverage of (a) Arctic and (b) Antarctic observed by satellite (thick black line) and simulated by nine earth (climate) system models of China participating in CMIP6

与北极不同,1979—2014年的所有月份,南极海冰的总覆盖范围呈增加趋势(Liu et al.,2004;Turner et al.,2009;Parkinson and Cavalieri,2012)。之后,南极海冰的总覆盖范围又突然快速减少(Liu et al.,2019;图2b)。不同于北极几乎所有海域海冰都在减少的情况,南极海冰的变化趋势呈现出很大的区域差异,罗斯海海冰的增加趋势部分被阿蒙森-别林斯高晋海海冰的减少趋势所抵消。与南极海冰范围总体增加相反,ICESat观测表明,南极海冰厚度在2003—2008年有较小的下降趋势(Kurtz and Markus,2012)。南极海冰总体增加的原因很复杂,科学家提出了各种机制去解释,包括:大气环流/风的变化、淡水输入、主要气候模态的变化(如:南极涛动)、平流层臭氧损耗、水文循环、冰架/盖和海洋对流。

近年来,北极夏季海冰的退缩和冰面融池的大量出现使得上层海洋吸收的太阳辐射显著增多,海洋混合层热含量增大,次表层增暖形成极大值(Jackson et al.,2010;Carmack et al.,2015)。海冰的减少和变薄,增强了秋冬季海洋向大气的热量和水汽输送,促进了北极放大效应 (Lang et al.,2017;Dai et al.,2019)。同时,北冰洋多年冰减少使得一年冰逐渐占主导,海冰形变和破碎更加频繁(Lei et al.,2020),冰间水道大量形成,也促进了上层海洋向大气的热量输送(Vihma,2014)。此外,海洋中尺度和次中尺度过程(Li et al.,2013;Zhao et al.,2016)、双扩散过程(Beer et al.,2020)、海冰生长析盐过程引发的海洋垂向对流混合(Polyakov et al.,2013;Timmermans,2015),以及地形支配的向上混合(Sirevaag and Fer,2009)等机制都可以增强上层海洋向冰底的热量传输,影响海冰底部生长(Carmack et al.,2015),甚至冬季也会发生冰底融化现象(Jackson et al.,2012)。北极风暴事件增多,积雪在海冰热力学增长中的作用以及雪冰或积雪叠加冰对海冰物质平衡的贡献都有可能增强 (Merkouriadi et al.,2020)。而到春末夏初,积雪和雪冰层的融化则会导致融池增多(Petrich et al.,2012),融池具有更低的反照率,是海冰-反照率正反馈机制的主要影响因素(Lei et al.,2016)。秋冬季,多年冰上的融池会在重新冻结过程中释放大量热量,一方面促进底层大气增暖,另一方面会延缓海冰冻结生长(Hunke et al.,2013)。北极海冰的减少及变薄,使其季节性变化,以及热力和动力过程与南极的海冰越来越相像(Haine and Martin,2017),其力学强度降低导致更多冰脊形成,一方面改变了气-冰-海界面的拖曳力(Lu et al.,2011),另一方面大量海水积挟在冰脊内部,产生了像冰内卤水一样的热库效应,减缓了冰脊冰的生长(Salganik et al.,2020)。上述物理过程是北极气候变化所引发的大气-海冰-海洋相互作用的主要新特征。但由于现场观测的匮乏,尤其是冬季观测极其稀缺,难以支持针对这些关键过程的参数化刻画,制约了海冰模式的发展,也是目前海冰模式热力学研发面临的挑战。

极地海冰的变薄导致海冰更容易被外力(风和洋流)驱动。首先,温带气旋进入北冰洋冰区后引发的风暴事件,会造成海冰破碎。例如:2012年是有卫星观测以来北极海冰范围的历史最小值。同年8月从东西伯利亚形成并向北冰洋中心移动的强大气旋是导致该年出现海冰历史最小值的重要因子之一(Simmonds and Rudeva,2012)。该气旋伴随的强风导致近些年来不断变薄的海冰破碎为水平尺度更小的浮冰,海洋垂直混合作用加强,北极次表层的温暖海水向上混合并加速了海冰的融化(Parkinson and Comiso,2013;Zhang et al.,2013;Serreze and Stroeve,2015)。其次,由于北极海冰范围的快速减少,增加的开阔水域受到风力驱动产生海浪并传播。在海冰边缘区(从无冰海域到密集海冰覆盖区域的过渡区域),海浪与海冰进行相互作用,包括波浪能量分布(Squire et al.,1995;Squire,2007;Smith and Thomson,2016)、海冰破碎过程(Dumont et al.,2011;Kohout et al.,2014)、以及浮冰水平尺度变小,导致海冰侧向融化增强(Steele,1992;Horvat et al.,2016;Horvat and Tziperman,2018)。在全球气候变暖的背景下,随着极地气旋加剧(Hartmann et al.,2013),海浪有效波高在北极和南极的海冰边缘区也有显著的增加(Dobrynin et al.,2012)。因此,海冰-海浪相互作用越来越重要,也是目前海冰模式动力学研发面临的挑战。

现在最先进的气候模式中,混杂的浮冰被视为一个连续统一的介质,因此,通常以次网格的海冰厚度分布来描述海冰;针对海冰运动,考虑的也是其连续性,而非单个浮冰的运动。计算机软硬件技术的快速发展,使海冰模式的分辨率有了很大的提高,一些海冰模式采用了1～10 km的网格(接近大浮冰尺度),而高纬度海域的罗斯贝半径接近1 km。这种分辨率适用于区域预报应用和模拟研究(Blockley et al.,2020)。然而,这种分辨率下,海冰将不能再被认为是连续体,海冰模式需要采用基于非连续介质力学的海冰动力学理论(Coon et al.,2007;Feltham,2008)。离散元模型(DEM)自发展以来一直被用于对颗粒状、不连续材料的建模,包括浮冰(Hopkins,2004;Hopkins and Thorndike,2006)。就其本质而言,DEM非常适合对海冰的建模,特别是在由许多单独的浮冰组成的冰缘区。尽管DEM在模拟中小尺度海冰模型上得到了较多应用,近年来也逐渐出现适用于大尺度的海冰动力模拟的方案(Hopkins,2004;Wilchinsky and Feltham,2011;Li et al.,2014;Kulchitsky,2017),但尚未在地球(气候)系统模式中对海冰进行建模。其原因是相对于连续海冰模型而言,DEM方法的准确性依赖于对单个浮冰单元运动的正确描述,考虑到离散元模拟中的时间步长短,在浮冰尺度对极地海冰建模以及进行数年乃至数百年时间的模拟需要大量的计算资源。但随着可用高性能计算资源的增加,以及适用于DEM的高性能计算框架的出现,DEM计算成本逐渐降低,实际上可能更适合未来的高性能计算架构。

此外,北极海冰的快速减少和变薄已引起了国际上的广泛关注,并对许多利益攸关方提出了挑战,包括:北极航道航行安全,气候变化研究,自然资源开发和可持续发展,地缘政治,北极沿岸部落群体生活方式等(Smith and Stephenson,2013)。因此,迫切需要研发适应极地快速变化的海冰模式,以提高北极海冰的模拟和预测能力,支撑北极利用的应用需求。

3 适应极地快速变化海冰模式发展方向

不管是全球气候变化研究和预测,还是极地利用,都迫切需要具备完善物理过程的高分辨率海冰模式。伴随着全球气候变化,近年来极地海冰的物理特性正在发生巨大的变化,这极大地增加了海冰模式物理参数化方案和模拟结果的不确定性。尽管新一代的地球系统模式在极地海冰气候态的模拟上有了很大进步,但对近年来极地海冰变化的模拟仍然存在很大的偏差,如:模式低估了北极海冰覆盖面积的快速减少(Collins et al.,2013),不能模拟出南极海冰覆盖面积的显著增加(Shu et al.,2013),对未来北极夏季出现无冰状态时间的预测存在很大的分歧(Liu et al.,2013)等。这些问题都需要通过完善海冰模式中的热力和动力过程参数化方案,并使之与高分辨率计算相匹配来加以解决。下面从四个方面探讨如何研发适应极地快速变化的海冰模式。

3.1 海冰多尺度变化的热力学过程参数化研究

北极海冰已由以多年冰为主向以一年冰(季节冰)为主转变,这使得大气-海冰-海洋间能量的分配发生了显著变化。更多的季节性海冰意味着海冰变得越来越薄,冰上积雪变薄且覆盖减少,融池增加及融透的概率增大,冰盐度(卤水)增加,海冰内部和底部融化加剧。这些变化直接影响着海冰热力学特性,降低了其反射太阳辐射的能力,增加了海冰对海洋的透明度。这反过来又会加剧海冰的融化,在海冰能量和质量平衡中起着至关重要的作用,进而影响到海冰下的生态系统和生物地球化学循环过程(Assmy et al.,2017)。但现有海冰模式的热力学参数化没能充分地考虑这些变化,不能准确模拟其对海冰物质平衡的影响。

为了准确地刻画全球气候变化背景下海冰与大气、海洋界面及其内部的关键热力学过程,必须结合最新的变量齐备的观测数据,如:MOSAiC气候多学科漂流冰站计划(Krumpen et al.,2020),深入研究极地海冰快速变化下海冰表面、内部、底部和侧向的关键热力过程,及其对海冰生长、消融、能量和物质平衡的影响,从而更加全面地了解这些过程及其相互联系,进而重点改进和发展以下适用于海冰多尺度变化的热力学参数化方案。

1)表面过程:海冰融池-反照率参数化,雪冰或叠加冰形成过程参数化。

2)内部过程:太阳辐射在积雪、海冰和融池中吸收和穿透参数化,海冰盐度变化及其热力效应参数化。

3)侧面过程:海冰尺度分布和侧向融化参数化。

4)底部过程:海冰-海洋薄过渡层热量和盐度通量交换参数化。

3.2 海冰非连续分布特征的动力学参数化研究

近年来计算机软硬件技术的快速发展,使得海冰模式的分辨率得到了很大提高(接近浮冰尺度)。在这种情况下,海冰将难以应用连续性假设,需要能够体现浮冰尺寸的海冰动力学方案。在极地海冰快速变化和模式分辨率提高的背景下,冰间水道、海冰厚度/尺度分布、海浪-海冰相互作用变得越来越重要。然而现有的海冰模式无法准确描述这些重要的动力过程,不能准确模拟其对海冰物质平衡的影响。

为了精确描述高分辨率下的海冰非连续流变特性、动力破碎过程及其与海浪的耦合作用,有必要对不同尺度下海冰非连续分布、流变、运动、厚度/尺度分布特性、以及与海浪相互作用的动力学过程,及其对海冰物质平衡的影响进行深入研究,从而获得对这些过程及其之间联系更全面的认识,进而重点改进和发展以下适用于高分辨率海冰模式的动力学参数化方案及数值方法:

1)建立适用于海冰动力破碎的离散元数值方法,拓展现有的海冰流变学本构模型;

2)发展海冰拉格朗日动态追踪方案,分析拉格朗日点上海冰厚度再分布的演化特性,且精确跟踪海冰冰缘线变化;

3)研究海冰动力过程中的断裂、破碎、重叠、堆积,以及重新冻结等特性;建立基于统计模型与解析形式概率密度函数的海冰厚度/尺度分布参数化方案;

4)研究海冰在波浪作用下的受力特性及破碎现象,波浪在不同冰区传播的弥散关系,海冰-海浪的非线性相互作用,发展海冰-波浪耦合作用的离散元数值方法和粘弹性流变学模型。

3.3 高分辨率海冰模式在地球系统模式中的应用

海冰模式是预测极地乃至全球气候和环境变化的关键。目前大多数地球系统模式可以较好地模拟极地海冰的气候平均态,但不能很好地模拟极地海冰的多尺度变化,以及近年来南北极海冰变化趋势的不对称性,特别是我国参加国际耦合模式比较计划的地球系统模式与国外先进的模式相比尚存在一定的差距,需要耦合适应于极地海冰多尺度变化的海冰模式。

为了系统评估研发的海冰模式以及耦合到我国地球系统模式后对极地海冰的模拟能力,有必要发展海冰模式的伴随模式,开展敏感性数值试验,在目标函数极小化过程中研究海冰模拟误差的演变和主要来源,进而优化研发的海冰热力和动力参数化中的重要参数。同时,研究计算误差随海冰模式运行的时间步长和空间分辨率的演变,以及对海冰模拟的影响。耦合优化后的海冰模式到地球系统模式中,分别在单独运行和耦合到地球系统模式中运行两种状态下,研究海冰模式对海冰重要参量的不同时空尺度变化,以及大气-海冰-海洋相互作用等方面的模拟能力,分析导致模拟结果与观测不同的可能原因。在此基础上,对未来北极和南极海冰变化以及气候变化进行集合预测,特别是北极夏季出现无海冰状态的时间,并确定其不确定性。预测北极航道区域海冰的变化趋势,支撑北极航道利用的中长期规划。

3.4 支持海冰模式参数化研发和评估的观测数据系统

由于气候条件恶劣,北极和南极是地球系统观测数据最为稀少的区域之一。现场观测资料、特别是长期和针对海冰模式重要物理过程参数化设计的现场观测的短缺大大限制了海冰模式的研发。面向海冰表面、内部、侧向和底部的关键热力过程,海冰流变特性和输运,海冰-海浪相互作用参数化的研发,以及海冰模式模拟性能评估的科学需求,需要不同尺度且变量齐备的观测数据系统。

为了更好地针对海冰热力和动力过程参数化进行研发设计,有必要集成我国多年极地航次的现场观测、国际极地航次共享数据,以及卫星遥感产品等多源数据,建立用于检验海冰模式热力和动力过程模拟的标准和数据库。这需要借助国际和我国极地考察航次(如:刚完成的MOSAiC漂流冰站计划),针对海冰表面、内部、底部和侧向热力过程参数化需求,设计相关观测实验,获得不同代表观测点(如平整冰、冰脊冰和融池重新冻结冰等)的海冰能量和物质平衡观测数据,并结合上层海洋和大气边界层观测,分析融池、雪冰、卤水、冰-海热交换等过程,并确定重要参数。针对海冰流变特性、输运以及海冰-海浪相互作用参数化需求,设计相关观测实验,获取多尺度海冰漂流阵列观测数据、海浪在冰区衰减过程的观测数据,分析海冰运动和形变的时空尺度特征以及海冰-海浪相互作用机制,并结合高分辨率和高精度卫星遥感产品,研究海冰形变的局地效应及其与冰间水道,冰脊等的关系。利用现场观测系统验证采用不同传感器和反演算法得到的主要海冰参量的卫星遥感产品,构建基于现场观测和能覆盖整个北冰洋和南大洋的卫星遥感海冰重要参量的数据集,建立评估海冰模拟的数据系统。

4 总结

极地海冰是全球气候系统的重要组成部分。海冰基本的热力学数学描述已经有五十多年的历史,海冰流变学数学描述也已有四十多年的历史,但仅在过去的二十几年中才在地球(气候)系统模式中得以实现和应用。目前的海冰模式能够很好地反映和体现海冰相关的很多物理过程,其热力和动力学模型捕获了气候系统中极地海冰变化的主要过程。近年来极地气候的显著变化,对改进现有的海冰模式而言既是挑战也是驱动力。为了提高对大气-海冰-海洋的复杂相互作用以及冰内质量、能量及相平衡物理过程的理解,有必要采用更复杂的物理模型,从而实现不同气候条件下海冰物理特性变化的精确模拟,提高海冰预测能力。因此,海冰模式的研发方向是更精确地描述海冰多尺度变化物理过程和特征,并扩展到“地球系统”模拟中。例如,改善积雪/雪冰、融池、海冰混合成分(盐度、灰尘、气溶胶和生物夹杂物)参数化以更好地估计太阳辐射的反射、吸收和穿透以及冰内的温度分布。改善流变学的各种各向异性描述以更精确地表示运动学特征和冰变形。随着气候模式继续推动计算能力的极限,数值算法的改进在海冰模式研发过程中起着至关重要的作用。应用多年连续海冰模式已逐渐接近其有效性的假定极限,亟待开发DEM的潜力。通过研发海冰模式的新参数化和新算法,可保证在地球(气候)系统模式和高分辨率多尺度特征下有效提升对海冰物理过程的模拟精度,以有效服务气候变化研究应对以及北极业务应用等重大需求。