CICE5.0与BCC_CSM2.0模式的耦合及对北极海冰的模拟评估
航天员名单房永杰;储敏;吴统文;张录军;聂思程
【摘 要】The latest Los Alamos a ice model (CICE5.0) is coupled to the Beijing Climate Center coupled system model (BCC_CSM2.0) by replacing its original a ice model (SIS).The performance of the new coupled model in simulating silent features of Arctic a ice during 1985-2009 is thoroughly assd through a comparison to both the original version and obrvations.The results show that the new coupled model can reasonably capture the spatial pattern,asonal and inter-annual variation of Arctic a ice.The CICE5.0 significantly improves the Arctic a ice simulation,which includes a decrea (increa) of one year (multi-year) a ice area,an increa in ice thickness,a reduction in ice motion,and a more realistic Beaufort Gyre.Further analysis indicates that,compared with the SIS,the better performance of the CICE5.0 in simulating the Arctic a ice,especially for its thickness,results in positive ice-temperature feedbacks when coupled with the BCC_CSM2.0.As a result,the surface air temperature,a level pressure,and the a surfac
e temperature are better simulated,which further improves the Arctic a ice simulation.%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.
【期刊名称】六级及格《海洋学报（中文版）》
【年(卷),期】2017(039)005
【总页数】11页(P33-43)娓娓道来的拼音
【关键词】气候系统模式;BCC_CSM2.0;CICE5.0;北极海冰;模式评估
【作 者】气宇轩昂意思房永杰;储敏;吴统文;张录军;聂思程
【作者单位】中国气象局国家气候中心,北京100081;中国气象局国家气候中心,北京100081;中国气象局国家气候中心,北京100081;南京大学大气科学学院,江苏南京210023;南京大学大气科学学院,江苏南京210023脱式计算带答案
【正文语种】中 文
【中图分类】P731.32
海冰是气候系统的重要组成部分，也是全球气候变化最敏感的组分之一，其变化具有全球气候变化指示和放大器的作用。在全球变暖的大背景下，极地气候系统近几十年来发生了比其地区更为显著的变化。研究表明，近30年北极海冰呈快速衰减趋势，就年平均而言，北极海冰的覆盖范围每10年减少约3%，其中夏季最为显著，每10年减少约10%[1—2]。与此同时，北极海冰厚度明显变薄[3—4]，北冰洋的海冰运动模式发生了很大变化[5]。海冰的显著变化会改变极地气候系统中陆、气、海、冰各个子系统的能量平衡。由于海冰-反照率正反馈机制的作用，使得全球增暖对气候的影响在极区被放大，极区气候的快速显著变
画大海
化反过来又会通过大气环流和海洋温盐环流等途径影响全球的气候变化[6—7]。因此，利用大气-海洋-陆地-海冰耦合的气候系统模式对海冰进行合理模拟是研究海冰变化及其成因的重要途径之一。但到目前为止，全球耦合模式(Coupled General Circulation Models, CGCMs)对于海冰特别是北极海冰厚度和面积的模拟还存在很大问题[8—12]。邱博等[9]和舒启等[13]分别评估了参加CMIP5(Coupled Model Inter-comparison Project Pha 5)计划14和24个CGCMs的模拟结果，发现大部分模式能模拟出北极海冰的季节变化特征，但是大多数模式模拟的夏季海冰偏少，年均海冰面积大小与观测也存在较大差别，模拟的海冰流速普遍偏大，且模拟的1979-2005年间北极海冰减少速度均小于观测值。
BCC_CSM2.0是由中国气象局国家气候中心(Beijing Climate Center，BCC)发展的中等分辨率气候系统模式。它以美国国家大气研究中心(NCAR)的通用气候系统模式耦合器Coupler 5[14]为基础，包括大气模式BCC_AGCM2.0[15]、海洋模式MOM4.0[16]、海冰模式SIS[17]及陆面模式BCC_AVIM2.0[18]4个分量模式(图1)。BCC_CSM2.0是国家气候中心第二代短期气候预测模式系统的主要组成部分[19]，同时基于其开展的CMIP5试验的研究结果也为IPCC第五次评估报告(IPCC AR5)提供了有价值的参考[20]。目前国内气象学者对于BCC_CSM2.0模式已经进行了大量的评估分析。这些研究表明BCC_CSM2.0对全球季风
降水、东亚降水的季节和日变化特征、大气低频振荡以及ENSO(El Nio-Southern Osillation)等都具有较好的模拟性能[21]。但该模式对海冰，尤其是北极海冰的模拟能力仍存在许多问题和不足，模拟的北极海冰冬季偏多，夏季偏少，厚度偏薄，海冰流速偏大，且不能模拟出波弗特涡流[22]。为此，不断完善BCC气候系统模式中的海冰分量模式，使其能够合理模拟海冰的季节分布以及相关的大气-海冰-海洋相互作用，将有利于提高BCC模式对未来极地以及全球气候变化的预测能力。
CICE是美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式，具有复杂的参数化过程，在国际气候变化模拟和预测中得到了广泛的应用[23]。本文利用最新版本的CICE5.0替代了BCC_CSM2.0中的原有的海冰模块(SIS)，形成新的耦合模式，并进行了70年的连续积分，检验引入CICE5.0对耦合模式北极海冰和其他相关气候要素模拟结果的改进，同时分析误差来源，为模式的后续发展提供科学依据。
汉昭帝皇后2.1 模式简介
CICE5.0是美国Los Alamos国家实验室2013年9月发布的海冰模式版本，该模式集成了海冰数值模式的最新发展成果。与旧版本BCC气候系统模式中的海冰模式分量SIS相比，CIC
E5.0对海冰动力和热力过程的物理参数化方案更加完善。CICE5.0动力学模块采用弹-黏-塑(EVP)海冰流变学，热力部分是一个可分辨海冰温度垂直廓线和显式盐泡参数化的海冰热力学模块[24]；在海冰厚度空间采用5层的海冰厚度分级，并采用拉格朗日线性传输的厚度分布模式，能更好地描述海冰的各种通量性质[25]；使用更为复杂的海冰机械再分布方案，并考虑海冰的成脊、叠挤作用以及侧边界融化热力过程[26]；采用了一个新的融池参数化方案，该方案利用冰厚判断冰面地形，从而能更加准确的计算融池覆盖率和融池深度[27]；采用一个新的短波辐射方案(Delta-Eddington)[28]，能更加精确的计算冰层和雪发射、吸收和投射的短波辐射；海冰运动方程中的风应力和海洋拖曳力项中考虑了海冰密集度的影响，使得在海冰密集度低值区海冰运动与自由漂移理论一致[29]。此外，CICE5.0用新冰生成参数化方案模拟海冰的产生，当大量的雪盖将海冰压到海平面以下时可以模拟雪冰的形成[30]。关于模式的详细介绍可参考Hunke等[23]。
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2.2 试验设计及资料介绍
新耦合模式与老版本BCC_CSM2.0气候系统模式相比，除海冰模式替换为CICE5.0外，大气、陆面以及海洋模式分量均保持不变(图1)，大气模式和陆面模式的分辨率为T106, 相当
于约1.1°(经度)×1.1°(纬度)。大气模式垂直方向26层；海冰模式和海洋分量模式分辨率一致，对北极点采用三极网格，近赤道地区水平分辨率约为(1/3)°×1°，中高纬地区约1°×1°，海洋模式垂直方向40层。关于BCC气候系统模式的详细介绍见Wu等[18]。在耦合CICE5.0后的BCC模式系统中，大气、海冰和海洋之间均实现双向耦合。大气模式通过耦合器向海冰模式提供10 m风速、2 m气温和比湿、向下长波和短波辐射、降水、海平面气压场等，海洋模式通过耦合器为海冰模式提供海表温度、海表流速、盐度以及冻融势等，而海冰模式则通过耦合器向海洋和大气提供海冰密集度、淡水通量、热通量、表面风应力等信息。
将大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度控制在1980年的水平，海冰从静止开始，大气、海洋和陆面的初始场取自旧版本BCC_CSM2.0开展CMIP5的Historical试验[31]1980年1月1日的瞬时场，将新版耦合模式积分45 a。图2是该控制试验北极年平均海冰面积的时间序列图。从图2中可以看出耦合积分到第20 a左右，模式已基本处于平衡状态。本文选取控制试验第35年末的瞬时场作为初始场, 根据观测的20世纪温室气体排放情景, 将新耦合模式从1980年1月开始积分, 对20世纪中后期和21世纪初的全球气候进行了模拟。选取该试验(模拟结果以BCC_CICE表示)1985-2009年海冰、大气及海洋月平均模拟结果，与旧版本模式BCC_CSM2.0(模拟结果以BCC_SIS表示)参加CMIP5 Historical试验[31]1985-2009年的
模拟结果进行对比分析。
为了对模式的模拟结果进行评估，本文使用了如下观测资料：(1)英国Hadley中心的海冰密集度和海表温度数据[32](Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data t, HadISST)；(2)美国国家冰雪数据中心( National Snow and Ice Data Center, NSIDC)的海冰流速场资料[33], 该资料是利用SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer) 和SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)卫星资料反演获得；(3)美国潜艇观测的北极海冰厚度场资料[34]；(4)ERA-Interim再分析资料[35], 包括海平面气压场和2 m气温等；(5)美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)日平均海冰密集度资料[36]。此外，为了进行单独CICE5.0和SIS模式的模拟试验，本文还使用了SODA(Simple Ocean Data Assimilation)表层洋流[37]和WOA09(World Ocean Atlas 2009)温盐数据[38]作为驱动场。
3.1 海冰
图3给出了观测和模拟的1985-2009年北极3月和9月平均海冰密集度的水平分布。由图可见，在3月份，BCC_CICE和BCC_SIS基本都能再现北极海冰密集度的主要分布型，但模
拟的北太平洋和北大西洋的海冰明显偏多(图3b，3c)。相比于BCC_SIS，BCC_CICE模拟的鄂霍次克海、格陵兰海以及拉布拉多海巴伦支海、巴芬湾海冰减少，与观测更为接近(图3c)。9月份，观测的海冰收缩至北冰洋内(图3d)，BCC_SIS模拟的北极中央区海冰严重偏少(图3e)，BCC_CICE对此有较大改进(图3f)，模拟的海冰密集度高于80%的海区面积明显大于BCC_SIS。模拟的海冰密集度与观测的空间相关系数，BCC_SIS在3月和9月分别为0.82和0.70，而BCC_CICE则分别为0.89和0.86。进一步分析模拟的海冰密集度与观测的均方根偏差，3月份BCC_SIS和BCC_CICE分别为30%和20%，而9月份分别55%和16%。可见，将海冰模式由SIS替换为CICE5.0后，模式模拟的海冰密集度在空间分布和强度上都更为合理。
由于观测资料的限制，无法获得北极月平均的海冰厚度场，为此，我们采用美国潜艇观测的北极年平均海冰厚度资料来评估模拟结果。由图4a可见，观测的年平均海冰在格陵兰岛北侧和加拿大海盆最厚，达5 m以上，海冰厚度由加拿大海盆向欧亚大陆逐渐变薄，其中楚科奇海南部和喀拉海海冰厚度小于1 m。由图4b可见，BCC_SIS模拟的海冰厚度明显偏薄，模拟的北冰洋大部分冰区厚度小于1 m，较观测偏小50%以上。与BCC_SIS相比，BCC_CICE的模拟结果与观测更为一致，加拿大群岛海冰厚度可达4 m，整个加拿大海盆
和欧亚海盆的海冰厚度都在2.5 m以上，但与观测相比，仍略为偏薄(图4b)。
图5给出了观测和模拟的北极地区3月和9月平均海冰流速场。3月，观测北极海冰运动的主要特征是波弗特涡流和穿极漂流(图5a)。波弗特涡流是位于波弗特海的反气旋式海冰环流，其南支流向楚科奇海，北支汇入穿极漂流。穿极漂流主要源自于拉普捷夫海，穿越北极点，经弗莱姆海峡，沿格陵兰岛东岸进入北大西洋。另外，巴伦支海、巴芬湾、白令海以及鄂霍次海也均有向南的海冰输送。9月，观测海冰运动的主要特征与3月基本一致，但流速明显减弱(图5d)。新旧耦合模式都能较好的模拟出穿极漂流，但是强度偏强，特别是弗拉姆海峡，海冰流速较观测偏大2倍以上。同时，模式模拟的海冰边缘区的海冰流速也异常偏大，导致海冰向南输送增强，这与模式模拟的海冰边缘区破碎冰偏多一致(图3)。BCC_SIS没有模拟出波弗特涡流(图5b，5e)，BCC_CICE能较好地模拟出这一涡流特征，尽管模拟的9月波弗特涡流位置偏北，强度偏强(图5c，5f)。此外，相比于BCC_SIS，BCC_CICE模拟的3月份格陵兰海和拉布拉多海海冰流速减弱，与观测更为一致，但模拟的9月份弗拉姆海峡海冰流速偏强(图5f)。
