適應極地快速變化海冰模式的研發與挑戰

劉驥平,雷瑞波,宋米榮,徐世明,季順迎,蘇潔,李志軍,王曉春,朱珠⑨,楊朝淵

① Department of Atmospheric and Environmental Sciences,University at Albany,State University of New York,Albany 12222;② 中國極地研究中心 自然資源部極地科學重點實驗室,上海 200136;③ 中國科學院 大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室,北京 100029;④ 清華大學 地球系統科學系,北京 100084;⑤ 大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室,遼寧 大連 116023;⑥ 中國海洋大學 海洋與大氣學院,山東 青島 266100;⑦ 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024;⑧ 南京信息工程大學 海洋科學學院,江蘇 南京 210044;⑨ 中國科學院大學,北京 100049;⑩ 中山大學 大氣科學學院,廣東 珠海 519082; 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海),廣東 珠海 519080

*聯系人，E-mail:jliu26@albany.edu

極地海冰是地球氣候系統的重要組成部分。全球海洋約有7%被海冰所覆蓋。海冰的高反照率大大減少了極區海洋對太陽輻射的吸收,使極地成為全球氣候系統的冷源;海冰的存在,阻礙了海洋與大氣的直接聯系,大大減弱甚至阻止了大氣與海洋間熱量、動量、水汽、CO2等的交換;海冰融化使得海洋表層鹽度降低,而海水凍結析鹽使得海洋表層鹽度增加,這直接影響著海洋深層水的形成及對流強度(如:北大西洋深層水和南極底層水),進而影響海洋經向翻轉環流(圖1)。極地海冰通過其特有的熱力和動力學過程及其反饋機制,在區域和全球氣候變化中起著重要的作用(Walsh,1983)。

海冰模式是地球(氣候)系統模式中的一個重要分量模式,它與大氣、海洋和陸面模式的區別主要在于海冰的物理特性差異(如:熱力學規律、流體特性),其模擬準確性直接影響著地球(氣候)系統模式的可靠性。目前,海冰模式在大氣-海冰-海洋相互作用和冰內質量、能量及相平衡等關鍵物理過程研究、短期和季節海冰預測、以及長期氣候變化預估中得到了廣泛的應用。海冰包含著極其豐富而復雜的多尺度物理過程(圖1),其尺度范圍從毫米到厘米級的冰結晶結構、鹵水和氣泡微結構、冰上積雪顆粒結構和海冰析鹽通道,到數十厘米至數十千米級的不規則冰塊(浮冰尺寸分布),再到上千公里級的海冰環流及其伴隨的淡水輸運。海冰的生長、融化、運動和形變是緊密相連的。海冰復雜的多尺度物理過程和極地觀測資料的缺乏,給海冰模式的研發提出了巨大的挑戰。盡管在過去的幾十年里,大氣-海冰-海洋的復雜相互作用和冰內物理過程的表征在海冰模式中取得了重大的進展,但海冰模式對某些重要熱力和動力過程的描述仍很不完善。近年來極地氣候發生了顯著的變化,特別是海冰,這使得海冰模式的一些關鍵物理參數化方案不能適應和準確模擬極地海冰的多尺度變化。

圖1 大氣-海冰-海洋相互作用和冰內質量、能量及相平衡的多尺度過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi scale processes of air-sea ice-ocean interaction and mass,energy and phase equilibria in ice

本文介紹了海冰模式的發展歷程和現狀,闡述了極地海冰快速變化給海冰模式帶來的挑戰,并討論了適應極地快速變化海冰模式的改進和發展研究方向。

1 海冰模式發展歷程和現狀

盡管科學家已經對海冰對極地和全球氣候影響的基本情況進行了半個多世紀的研究(Fletcher,1965,1969),但與大氣、海洋和陸面模式相比,受制于觀測匱乏,海冰模式的發展一直相對滯后。海冰模式發展始于20世紀60年代,可以分為熱力模型、動力模型和厚度分布模型三個組成部分。

基于20世紀50年代末國際地球物理年(International Geophysical Year)獲取的有史以來最大規模的極地觀測數據,Untersteiner(1964)開發了一個簡單的一維海冰熱傳導、生長與融化模型。在此基礎上,Maykut and Untersteiner(1971)考慮了冰上積雪、冰鹽度(鹵水)效應、短波輻射穿透冰層的能量變化、冰密度、熱傳導率、比熱和冰溫的垂直變化等,建立了更為復雜的一維熱力學模型。Semtner(1976)簡化了海冰熱力學模型的冰雪內部計算,形成了一個更適用于三維模擬的零層及三層模型。

Campbell(1964)探討了海冰運動速度的數學求解方法,及影響海冰運動的風應力、海流應力、海表高度梯度力、科氏力和冰內應力參數化的選擇。在影響海冰運動的五種力中,冰內應力存在最大時空變化特性,是海冰動力學模擬的難點,尤其是在海冰密集的區域。這主要是由于海冰具有兩個重要特性:抗壓縮性和抗剪切性,不充分考慮這兩個特性會導致海冰運動和形變的模擬欠佳。20世紀70年代的北極海冰動力學聯合試驗(Arctic Ice Dynamics Joint EXperiment)極大地推動了海冰動力過程的研究(Coon et al.,1974)。Hibler(1979)創造性地采用粘-塑性(VP)流變本構模型來模擬海冰小尺度形變和內部應力,并將其引入海冰模式。

極地海洋包含著不同厚度類型的海冰,從冰間水道、薄的季節冰到厚的冰脊。Thorndike et al.(1975)基于北冰洋中心海域浮冰站的數據,發展了一個海冰厚度分布函數,用來描述由于凍結、融化和動力過程引起的冰厚分布及其演變。動力過程允許較薄的冰產生形變,從而重新分布到較厚的類型上,熱力過程通過不同厚度冰的增消,從而在不同類型間重新分布。這個模型提供了一種將冰厚分布和海冰熱力與流變學耦合的方法。

20世紀70年代,Bryan et al.(1975)和Manabe et al.(1975)開始嘗試在全球大氣和海洋耦合模式中對海冰進行三維模擬。到80年代,海冰模式才逐步被引入大尺度氣候模式中。但是早期的氣候模式大多將海冰視為一種白色(沒有考慮不同海冰表面反照率的差異)、零熱容量(沒有考慮海冰的熱庫效應)和厚度均勻的靜止或自由漂移介質(沒有考慮海冰內部應力)。這主要是由于當時的認識和條件所限:1)海冰的重要性被簡單看作是由海冰-反照率-溫度正反饋作用所決定;2)氣候模式研發人員認為已有的海冰熱力和動力模型過于復雜,且計算要求較高;3)極地海冰物理過程的觀測嚴重不足,特別是缺乏氣候模式網格尺度上的觀測(數百公里)。因此,大尺度氣候模式中的極地氣候模擬主要根據海冰反照率的變化而改變。在此期間,氣候模式研發人員的需求與小尺度海冰物理過程研究和模擬人員的關注重點存在顯著的脫節。氣候模式研發人員更關注的問題是:1)哪些物理過程對氣候和長期變率更為重要;2)氣候模式是否可以使用簡單的經驗方法來進行合理的大尺度模擬,而不必考慮小尺度過程的模擬;3)多個小尺度過程的凈效應是否可以在大尺度上被有效地參數化。盡管Parkinson and Washington(1979)建立了一個能與具有類似分辨率的大氣和海洋模式耦合的大尺度海冰熱力-動力模式,但鑒于大部分海冰物理過程高度依賴于尺度,當時沒有系統地將較高分辨率的較為詳細的熱力和動力過程的描述拓展到較低分辨率的氣候模式中。

20世紀90年代,在海冰動力學方面,Flato and Hibler(1992)簡化了粘-塑性本構模型,將海冰當成空化流體進行模擬;Hunke and Dukowicz(1997)發展了一個彈-粘-塑性(EVP)流變學方案,計算效率有了大幅提高;Zhang and Hibler(1997)對粘-塑性模型做了改進,使其計算更有效并且可并行化。隨后,氣候模式研發人員才采用這些計算效率高的流變學方案來改善對海冰形變和輸運的模擬。在海冰熱力學方面,Ebert and Curry(1993)發展了物理過程更為完備的一維海冰熱力學模式,包括依賴不同表面狀態(顯式的融池)的反照率、設置最小水道面積及其對太陽輻射的吸收、海冰側向積聚和消融等,并指出氣候模式必須能夠適當地體現海冰各種反饋過程;Bitz and Lipscomb(1999)進一步考慮了海冰鹽度(鹵水)效應對冰焓的影響,并發展了相應的能量守恒熱力學模式。

與此同時,國際聯合極地科學考察的實施,如:北冰洋表面熱量收支(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)、南極海冰過程與氣候計劃(Antarctic Sea ice Processes & Climate)、國際極地年、新冰多學科觀測(N-ICE2015)等,為研究海冰物理過程提供了更全面的觀測數據(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),對海冰模式的研發起到了重要的推動作用。借助于這些數據,海冰模式中的許多熱力和動力參數化過程都得到了改善。

在海冰熱力學方面,Taylor(2004)建立了一個雙流輻射模型,并根據海冰、融水和重新凍結融池三層光學性質來計算反照率。Briegleb and Light(2007)構建了Delta-Eddington多重散射輻射傳輸模型,以處理太陽輻射與雪和海冰之間的相互作用。基于SHEBA觀測數據,該模型確定了雪、海冰和融池的固有光學特性(如:消光系數、單散射反照率),用來計算反照率、輻射在雪和海冰中的吸收及向底層海洋的傳輸。Flocco and Feltham(2007)將融池的面積視為示蹤物,根據模擬的冰厚分布來近似表征海冰地形,并將融水分布到冰面的凹陷處來計算融池體積。融池滲流通過冰層的孔隙垂直排出,當表面能量平衡為負值時,融池會重新凍結。Vancoppenolle(2005)發展了一個一維模型來模擬北極海冰從一年冰向多年冰轉變的析鹽過程。Feltham et al.(2006)和Hunke et al.(2013)在海冰模式中引入了基于糊狀層物理原理計算冰鹽度垂直分布,并對重力排泄、融水沖洗和雪轉化為冰的過程進行了參數化設計。

在海冰動力學方面,基于粘-塑性(VP)流變學模型,許多研究對海冰動量和材料特性更深入的物理描述進行了改進,并發展出了新的海冰動力學模型,包括:拉格朗日離散元方法(Hopkins,2004;Hopkins and Thorndike,2006),光滑質點流體動力學(Lindsay and Stern,2004),彈性-非粘性連續流變學(Sulsky et al.,2007)和彈-塑性漸進破壞流變學(Girard et al.,2010)。隨著網格分辨率的提高,各向異性的流變學也逐漸得到發展(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實際模擬過程中可跟蹤的冰厚類型有限,Hibler(1980)和Lipscomb(2001)發展了厚度范圍模型(即Bin模型),并進一步采用Bin內分段線性模型來緩解Bin模型的數值不穩定性。

與此同時,美國和歐洲的研究機構充分認識到在全球氣候模式中使用過于簡化的熱力-動力海冰模式不能很好地再現實際的極區大氣-海冰-海洋相互作用。因此,開始積極開展適用于全球氣候模式的海冰模式研發。目前,國際上主流的獨立海冰模式主要有三個:CICE、LIM和SIS。

Los Alamos sea ice model(CICE)海冰模式由美國能源部的洛斯阿拉莫斯國家實驗室于20世紀90年代中期開始研發(Hunke and Lipscomb,2010;Roberts et al.,2018)。該模式是一個動力-熱力學海冰模式。通過廣泛的海冰模式研發國際協作,CICE模式不斷得到改進、更新和修正。最新的版本是CICE6.1.4,其動力模型具有兩種流變學選擇:彈-性-粘塑性(EVP)和彈性各向異性塑性(EAP),用于計算冰的運動和形變;運輸模型用于計算海冰密集度、體積和其他狀態變量的平流過程;熱力學模型具有兩種方案選擇:Bitz-Lipscomb和Mushy layer,用于計算由于生長和融化導致的冰雪變化,以及由于輻射、湍流和傳導等通量引起的垂直溫度分布變化(其中有兩個參數化選擇來計算積雪、裸冰和融池冰的表面反照率以及短波輻射通量的吸收和傳輸;三個參數化選擇來計算融池);次網格尺度冰厚分布用于計算熱力和動力特性在不同類型間的重新分配。CICE是目前是國際上考慮物理過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)開發的海冰模式,包括基于粘-塑性流變學的動力學、三層熱力學、二階守恒矩平流方案和其他海冰物理參數化。隨后,LIM被改寫形成LIM2(采用Fortran90),并被整合進了海洋模式NEMO中(Timmermann et al.,2005)。21世紀初,LIM2得到了改進,最新版本的LIM3.6能更好地描述次網格尺度的物理過程,包括:冰厚分布、鹵水動力學及其對熱學性質的影響、改良的彈性-粘塑性(EVP)流變學方案(Bouillon et al.,2013)。LIM3.6在熱力參數化和實現細節方面與CICE6.1.4存在很大不同。

Sea Ice Simulator(SIS)是美國地球流體動力實驗室發展的一個動力-熱力學海冰模式(Winton,2000),最新的版本是SIS2(Adcroft et al.,2019)。SIS2中的熱力學模型與CICE4.1相似(采用類似Semtner的三層熱力學模型),動力模型采用Bouillon et al.(2013)發展的彈-粘-塑性流變學方案,厚度分布模型采用基于拉格朗日方案的五類海冰厚度。SIS2在熱力參數化和實現細節方面要比CICE6.1.4簡單。

表1給出了參加最新一輪國際耦合模式比較計劃(CMIP6)全球地球(氣候)系統模式海冰分量模式的來源。CMIP6是CMIP計劃實施20多年來參與模式數量最多的一次。其中,大多數地球(氣候)系統模式使用的是不同版本的CICE海冰模式。

與國內大氣、海洋和陸面模式研發相比,我國在海冰模式研發方面起步較晚。20世紀90年代,國家海洋環境預報中心在國外海冰流變學和熱力學研究的基礎上,開發了適用于渤海冰情的海冰動力-熱力學模式,實現了渤海海冰數值業務化預報。近年來,國家海洋環境預報中心引進了美國麻省理工學院的MITgcm海冰-海洋耦合模式,開展了極地海冰預報業務(楊清華等,2011)。20世紀90年代后期,中國科學院大氣物理研究所在國內率先開展了大氣-海冰-海洋耦合模擬研究,利用耦合氣候模式研究極地海冰的季節變化特征(張學洪和俞永強,1997;劉欽政等,2000;劉喜迎等,2003)。然而,我國的地球(氣候)系統模式一直以來都直接使用國外發展的海冰模式,包括美國的CICE和SIS(見表1)。21世紀初,中國科學院大氣物理研究所針對CICE4海冰模式,改進和發展了更為合理的海冰熱力學參數化方案,包括:海冰反照率、海冰中鹽度分布及其守恒、太陽輻射在海冰中的傳輸、海冰-海洋界面的熱通量交換(王秀成等,2010)。改進的CICE4海冰模式應用于中國科學院大氣物理所、自然資源部海洋第一研究所和北京師范大學的氣候系統模式中,改善了對極地海冰的模擬,但極地海冰和氣候模擬能力與國際先進的氣候系統模式相比仍存在一定差距。從表1可以看到,目前我國最新的地球(氣候)系統模式的海冰分量模式大都采用的是十年前開發的CICE4模式。我國參加CMIP6模式模擬的北極和南極海冰覆蓋范圍存在非常大的分歧,與衛星觀測也存在較大偏差(圖2)。此外,我國真正從事海冰模式研發的人員匱乏,尚未形成具有競爭力的研究隊伍,模式發展缺乏系統性支持,對我國自有極地觀測資料的利用水平較低。

2 極地海冰快速變化給海冰模式帶來的挑戰

伴隨著全球氣候變化,北極海冰快速減少(Serreze et al.,2007;Comiso et al.,2008;Cavalieri and Parkinson,2012;Thoman et al.,2020)。北極海冰覆蓋范圍在所有月份都呈減少趨勢,最大的負趨勢出現在9月。自20世紀70年代末至今,9月的北極海冰范圍減少了約50%(圖2a)。值得一提的是,最近14 a的最小值是有衛星觀測記錄的42 a中最低的。美國國家航空航天局的ICESat和歐洲航天局的CryoSat2觀測表明,伴隨著海冰范圍的減少,北極海冰的厚度也在顯著變薄(Kwok and Rothrock,2009;Laxon et al.,2013;Kwok and Cunningham,2015)。自20世紀70年代末至今,北極海冰平均變薄了約50%(約1.6～1.7 m),這主要是由于較薄的一年冰逐漸取代了較厚的多年冰(Maslanik et al.,2007,2011;Giles et al.,2008;Comiso,2012)。浮標和衛星觀測顯示,伴隨著海冰的變薄,海冰漂移速度在加快。1950年以來的浮標和漂移冰站數據顯示,盡管風強迫沒有顯著變化趨勢,但北冰洋中部的浮冰漂移速度卻有所增加。自20世紀70年代末有衛星觀測以來,北極海冰平均漂流速度冬季每十年大約增加17%,夏季每十年大約增加8.5%(Hakkinen et al.,2008;Rampal et al.,2009)。

表1 參與國際耦合模式比較計劃(CMIP6)的地球(氣候)系統模式的海冰分量模式

圖2 衛星觀測的(粗黑線)以及參與CMIP6的中國9個地球(氣候)系統模式模擬的北極(a)和南極(b)年均海冰覆蓋范圍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

與北極不同,1979—2014年的所有月份,南極海冰的總覆蓋范圍呈增加趨勢(Liu et al.,2004;Turner et al.,2009;Parkinson and Cavalieri,2012)。之后,南極海冰的總覆蓋范圍又突然快速減少(Liu et al.,2019;圖2b)。不同于北極幾乎所有海域海冰都在減少的情況,南極海冰的變化趨勢呈現出很大的區域差異,羅斯海海冰的增加趨勢部分被阿蒙森-別林斯高晉海海冰的減少趨勢所抵消。與南極海冰范圍總體增加相反,ICESat觀測表明,南極海冰厚度在2003—2008年有較小的下降趨勢(Kurtz and Markus,2012)。南極海冰總體增加的原因很復雜,科學家提出了各種機制去解釋,包括:大氣環流/風的變化、淡水輸入、主要氣候模態的變化(如:南極濤動)、平流層臭氧損耗、水文循環、冰架/蓋和海洋對流。

近年來,北極夏季海冰的退縮和冰面融池的大量出現使得上層海洋吸收的太陽輻射顯著增多,海洋混合層熱含量增大,次表層增暖形成極大值(Jackson et al.,2010;Carmack et al.,2015)。海冰的減少和變薄,增強了秋冬季海洋向大氣的熱量和水汽輸送,促進了北極放大效應 (Lang et al.,2017;Dai et al.,2019)。同時,北冰洋多年冰減少使得一年冰逐漸占主導,海冰形變和破碎更加頻繁(Lei et al.,2020),冰間水道大量形成,也促進了上層海洋向大氣的熱量輸送(Vihma,2014)。此外,海洋中尺度和次中尺度過程(Li et al.,2013;Zhao et al.,2016)、雙擴散過程(Beer et al.,2020)、海冰生長析鹽過程引發的海洋垂向對流混合(Polyakov et al.,2013;Timmermans,2015),以及地形支配的向上混合(Sirevaag and Fer,2009)等機制都可以增強上層海洋向冰底的熱量傳輸,影響海冰底部生長(Carmack et al.,2015),甚至冬季也會發生冰底融化現象(Jackson et al.,2012)。北極風暴事件增多,積雪在海冰熱力學增長中的作用以及雪冰或積雪疊加冰對海冰物質平衡的貢獻都有可能增強 (Merkouriadi et al.,2020)。而到春末夏初,積雪和雪冰層的融化則會導致融池增多(Petrich et al.,2012),融池具有更低的反照率,是海冰-反照率正反饋機制的主要影響因素(Lei et al.,2016)。秋冬季,多年冰上的融池會在重新凍結過程中釋放大量熱量,一方面促進底層大氣增暖,另一方面會延緩海冰凍結生長(Hunke et al.,2013)。北極海冰的減少及變薄,使其季節性變化,以及熱力和動力過程與南極的海冰越來越相像(Haine and Martin,2017),其力學強度降低導致更多冰脊形成,一方面改變了氣-冰-海界面的拖曳力(Lu et al.,2011),另一方面大量海水積挾在冰脊內部,產生了像冰內鹵水一樣的熱庫效應,減緩了冰脊冰的生長(Salganik et al.,2020)。上述物理過程是北極氣候變化所引發的大氣-海冰-海洋相互作用的主要新特征。但由于現場觀測的匱乏,尤其是冬季觀測極其稀缺,難以支持針對這些關鍵過程的參數化刻畫,制約了海冰模式的發展,也是目前海冰模式熱力學研發面臨的挑戰。

極地海冰的變薄導致海冰更容易被外力(風和洋流)驅動。首先,溫帶氣旋進入北冰洋冰區后引發的風暴事件,會造成海冰破碎。例如:2012年是有衛星觀測以來北極海冰范圍的歷史最小值。同年8月從東西伯利亞形成并向北冰洋中心移動的強大氣旋是導致該年出現海冰歷史最小值的重要因子之一(Simmonds and Rudeva,2012)。該氣旋伴隨的強風導致近些年來不斷變薄的海冰破碎為水平尺度更小的浮冰,海洋垂直混合作用加強,北極次表層的溫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,由于北極海冰范圍的快速減少,增加的開闊水域受到風力驅動產生海浪并傳播。在海冰邊緣區(從無冰海域到密集海冰覆蓋區域的過渡區域),海浪與海冰進行相互作用,包括波浪能量分布(Squire et al.,1995;Squire,2007;Smith and Thomson,2016)、海冰破碎過程(Dumont et al.,2011;Kohout et al.,2014)、以及浮冰水平尺度變小,導致海冰側向融化增強(Steele,1992;Horvat et al.,2016;Horvat and Tziperman,2018)。在全球氣候變暖的背景下,隨著極地氣旋加劇(Hartmann et al.,2013),海浪有效波高在北極和南極的海冰邊緣區也有顯著的增加(Dobrynin et al.,2012)。因此,海冰-海浪相互作用越來越重要,也是目前海冰模式動力學研發面臨的挑戰。

現在最先進的氣候模式中,混雜的浮冰被視為一個連續統一的介質,因此,通常以次網格的海冰厚度分布來描述海冰;針對海冰運動,考慮的也是其連續性,而非單個浮冰的運動。計算機軟硬件技術的快速發展,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的網格(接近大浮冰尺度),而高緯度海域的羅斯貝半徑接近1 km。這種分辨率適用于區域預報應用和模擬研究(Blockley et al.,2020)。然而,這種分辨率下,海冰將不能再被認為是連續體,海冰模式需要采用基于非連續介質力學的海冰動力學理論(Coon et al.,2007;Feltham,2008)。離散元模型(DEM)自發展以來一直被用于對顆粒狀、不連續材料的建模,包括浮冰(Hopkins,2004;Hopkins and Thorndike,2006)。就其本質而言,DEM非常適合對海冰的建模,特別是在由許多單獨的浮冰組成的冰緣區。盡管DEM在模擬中小尺度海冰模型上得到了較多應用,近年來也逐漸出現適用于大尺度的海冰動力模擬的方案(Hopkins,2004;Wilchinsky and Feltham,2011;Li et al.,2014;Kulchitsky,2017),但尚未在地球(氣候)系統模式中對海冰進行建模。其原因是相對于連續海冰模型而言,DEM方法的準確性依賴于對單個浮冰單元運動的正確描述,考慮到離散元模擬中的時間步長短,在浮冰尺度對極地海冰建模以及進行數年乃至數百年時間的模擬需要大量的計算資源。但隨著可用高性能計算資源的增加,以及適用于DEM的高性能計算框架的出現,DEM計算成本逐漸降低,實際上可能更適合未來的高性能計算架構。

此外,北極海冰的快速減少和變薄已引起了國際上的廣泛關注,并對許多利益攸關方提出了挑戰,包括:北極航道航行安全,氣候變化研究,自然資源開發和可持續發展,地緣政治,北極沿岸部落群體生活方式等(Smith and Stephenson,2013)。因此,迫切需要研發適應極地快速變化的海冰模式,以提高北極海冰的模擬和預測能力,支撐北極利用的應用需求。

3 適應極地快速變化海冰模式發展方向

不管是全球氣候變化研究和預測,還是極地利用,都迫切需要具備完善物理過程的高分辨率海冰模式。伴隨著全球氣候變化,近年來極地海冰的物理特性正在發生巨大的變化,這極大地增加了海冰模式物理參數化方案和模擬結果的不確定性。盡管新一代的地球系統模式在極地海冰氣候態的模擬上有了很大進步,但對近年來極地海冰變化的模擬仍然存在很大的偏差,如:模式低估了北極海冰覆蓋面積的快速減少(Collins et al.,2013),不能模擬出南極海冰覆蓋面積的顯著增加(Shu et al.,2013),對未來北極夏季出現無冰狀態時間的預測存在很大的分歧(Liu et al.,2013)等。這些問題都需要通過完善海冰模式中的熱力和動力過程參數化方案,并使之與高分辨率計算相匹配來加以解決。下面從四個方面探討如何研發適應極地快速變化的海冰模式。

3.1 海冰多尺度變化的熱力學過程參數化研究

北極海冰已由以多年冰為主向以一年冰(季節冰)為主轉變,這使得大氣-海冰-海洋間能量的分配發生了顯著變化。更多的季節性海冰意味著海冰變得越來越薄,冰上積雪變薄且覆蓋減少,融池增加及融透的概率增大,冰鹽度(鹵水)增加,海冰內部和底部融化加劇。這些變化直接影響著海冰熱力學特性,降低了其反射太陽輻射的能力,增加了海冰對海洋的透明度。這反過來又會加劇海冰的融化,在海冰能量和質量平衡中起著至關重要的作用,進而影響到海冰下的生態系統和生物地球化學循環過程(Assmy et al.,2017)。但現有海冰模式的熱力學參數化沒能充分地考慮這些變化,不能準確模擬其對海冰物質平衡的影響。

為了準確地刻畫全球氣候變化背景下海冰與大氣、海洋界面及其內部的關鍵熱力學過程,必須結合最新的變量齊備的觀測數據,如:MOSAiC氣候多學科漂流冰站計劃(Krumpen et al.,2020),深入研究極地海冰快速變化下海冰表面、內部、底部和側向的關鍵熱力過程,及其對海冰生長、消融、能量和物質平衡的影響,從而更加全面地了解這些過程及其相互聯系,進而重點改進和發展以下適用于海冰多尺度變化的熱力學參數化方案。

1)表面過程:海冰融池-反照率參數化,雪冰或疊加冰形成過程參數化。

2)內部過程:太陽輻射在積雪、海冰和融池中吸收和穿透參數化,海冰鹽度變化及其熱力效應參數化。

3)側面過程:海冰尺度分布和側向融化參數化。

4)底部過程:海冰-海洋薄過渡層熱量和鹽度通量交換參數化。

3.2 海冰非連續分布特征的動力學參數化研究

近年來計算機軟硬件技術的快速發展,使得海冰模式的分辨率得到了很大提高(接近浮冰尺度)。在這種情況下,海冰將難以應用連續性假設,需要能夠體現浮冰尺寸的海冰動力學方案。在極地海冰快速變化和模式分辨率提高的背景下,冰間水道、海冰厚度/尺度分布、海浪-海冰相互作用變得越來越重要。然而現有的海冰模式無法準確描述這些重要的動力過程,不能準確模擬其對海冰物質平衡的影響。

為了精確描述高分辨率下的海冰非連續流變特性、動力破碎過程及其與海浪的耦合作用,有必要對不同尺度下海冰非連續分布、流變、運動、厚度/尺度分布特性、以及與海浪相互作用的動力學過程,及其對海冰物質平衡的影響進行深入研究,從而獲得對這些過程及其之間聯系更全面的認識,進而重點改進和發展以下適用于高分辨率海冰模式的動力學參數化方案及數值方法:

1)建立適用于海冰動力破碎的離散元數值方法,拓展現有的海冰流變學本構模型;

2)發展海冰拉格朗日動態追蹤方案,分析拉格朗日點上海冰厚度再分布的演化特性,且精確跟蹤海冰冰緣線變化;

3)研究海冰動力過程中的斷裂、破碎、重疊、堆積,以及重新凍結等特性;建立基于統計模型與解析形式概率密度函數的海冰厚度/尺度分布參數化方案;

4)研究海冰在波浪作用下的受力特性及破碎現象,波浪在不同冰區傳播的彌散關系,海冰-海浪的非線性相互作用,發展海冰-波浪耦合作用的離散元數值方法和粘彈性流變學模型。

3.3 高分辨率海冰模式在地球系統模式中的應用

海冰模式是預測極地乃至全球氣候和環境變化的關鍵。目前大多數地球系統模式可以較好地模擬極地海冰的氣候平均態,但不能很好地模擬極地海冰的多尺度變化,以及近年來南北極海冰變化趨勢的不對稱性,特別是我國參加國際耦合模式比較計劃的地球系統模式與國外先進的模式相比尚存在一定的差距,需要耦合適應于極地海冰多尺度變化的海冰模式。

為了系統評估研發的海冰模式以及耦合到我國地球系統模式后對極地海冰的模擬能力,有必要發展海冰模式的伴隨模式,開展敏感性數值試驗,在目標函數極小化過程中研究海冰模擬誤差的演變和主要來源,進而優化研發的海冰熱力和動力參數化中的重要參數。同時,研究計算誤差隨海冰模式運行的時間步長和空間分辨率的演變,以及對海冰模擬的影響。耦合優化后的海冰模式到地球系統模式中,分別在單獨運行和耦合到地球系統模式中運行兩種狀態下,研究海冰模式對海冰重要參量的不同時空尺度變化,以及大氣-海冰-海洋相互作用等方面的模擬能力,分析導致模擬結果與觀測不同的可能原因。在此基礎上,對未來北極和南極海冰變化以及氣候變化進行集合預測,特別是北極夏季出現無海冰狀態的時間,并確定其不確定性。預測北極航道區域海冰的變化趨勢,支撐北極航道利用的中長期規劃。

3.4 支持海冰模式參數化研發和評估的觀測數據系統

由于氣候條件惡劣,北極和南極是地球系統觀測數據最為稀少的區域之一。現場觀測資料、特別是長期和針對海冰模式重要物理過程參數化設計的現場觀測的短缺大大限制了海冰模式的研發。面向海冰表面、內部、側向和底部的關鍵熱力過程,海冰流變特性和輸運,海冰-海浪相互作用參數化的研發,以及海冰模式模擬性能評估的科學需求,需要不同尺度且變量齊備的觀測數據系統。

為了更好地針對海冰熱力和動力過程參數化進行研發設計,有必要集成我國多年極地航次的現場觀測、國際極地航次共享數據,以及衛星遙感產品等多源數據,建立用于檢驗海冰模式熱力和動力過程模擬的標準和數據庫。這需要借助國際和我國極地考察航次(如:剛完成的MOSAiC漂流冰站計劃),針對海冰表面、內部、底部和側向熱力過程參數化需求,設計相關觀測實驗,獲得不同代表觀測點(如平整冰、冰脊冰和融池重新凍結冰等)的海冰能量和物質平衡觀測數據,并結合上層海洋和大氣邊界層觀測,分析融池、雪冰、鹵水、冰-海熱交換等過程,并確定重要參數。針對海冰流變特性、輸運以及海冰-海浪相互作用參數化需求,設計相關觀測實驗,獲取多尺度海冰漂流陣列觀測數據、海浪在冰區衰減過程的觀測數據,分析海冰運動和形變的時空尺度特征以及海冰-海浪相互作用機制,并結合高分辨率和高精度衛星遙感產品,研究海冰形變的局地效應及其與冰間水道,冰脊等的關系。利用現場觀測系統驗證采用不同傳感器和反演算法得到的主要海冰參量的衛星遙感產品,構建基于現場觀測和能覆蓋整個北冰洋和南大洋的衛星遙感海冰重要參量的數據集,建立評估海冰模擬的數據系統。

4 總結

極地海冰是全球氣候系統的重要組成部分。海冰基本的熱力學數學描述已經有五十多年的歷史,海冰流變學數學描述也已有四十多年的歷史,但僅在過去的二十幾年中才在地球(氣候)系統模式中得以實現和應用。目前的海冰模式能夠很好地反映和體現海冰相關的很多物理過程,其熱力和動力學模型捕獲了氣候系統中極地海冰變化的主要過程。近年來極地氣候的顯著變化,對改進現有的海冰模式而言既是挑戰也是驅動力。為了提高對大氣-海冰-海洋的復雜相互作用以及冰內質量、能量及相平衡物理過程的理解,有必要采用更復雜的物理模型,從而實現不同氣候條件下海冰物理特性變化的精確模擬,提高海冰預測能力。因此,海冰模式的研發方向是更精確地描述海冰多尺度變化物理過程和特征,并擴展到“地球系統”模擬中。例如,改善積雪/雪冰、融池、海冰混合成分(鹽度、灰塵、氣溶膠和生物夾雜物)參數化以更好地估計太陽輻射的反射、吸收和穿透以及冰內的溫度分布。改善流變學的各種各向異性描述以更精確地表示運動學特征和冰變形。隨著氣候模式繼續推動計算能力的極限,數值算法的改進在海冰模式研發過程中起著至關重要的作用。應用多年連續海冰模式已逐漸接近其有效性的假定極限,亟待開發DEM的潛力。通過研發海冰模式的新參數化和新算法,可保證在地球(氣候)系統模式和高分辨率多尺度特征下有效提升對海冰物理過程的模擬精度,以有效服務氣候變化研究應對以及北極業務應用等重大需求。