國內外極地海冰業務化預報系統概述

劉 娜 梁 曦 李 明 田忠翔 趙 福 孫啟振 李寶輝

（國家海洋環境預報中心 北京 100081）

0 引言

在全球變暖的大背景下，北極地區的近表層大氣升溫明顯，其升溫速率是全球變暖平均速率的2 倍，與之相伴的是北極海冰面積和體積的快速減少，尤其是夏季9 月份，北極海冰總量的減少更為顯著。有衛星觀測記錄以來，南極海冰范圍在2014 年之前呈略微增大的趨勢，2014 至2016 年間快速減少，2022 年出現歷史極低值情況。極地地區海冰覆蓋范圍的變化對極地生物群落、中低緯氣候系統以及全球水循環均產生深遠影響。極地是全球變化最顯著的地區，其科學研究價值、經濟附加利益和地緣政治影響日益凸顯。因此，近些年來極地研究受到國際社會越來越多的關注，在極地地區觀監測能力建設和預報預測技術研發等方面的國際協作活動也日益增多。最具代表性的是極地預報計劃（polar prediction project,PPP）和北極多學科漂流觀測研究（multidisciplinary drifting observatory for the study of Arctic climate,MOSAiC），其目的就是加強國際極地觀測預報體系建設，加深對極地大氣-海冰-海洋物理過程的理解，改進極地數值模擬和資料同化水平，提高從小時到季節時間尺度的極地地區預報、預測能力。

環北極國家因為地理優勢，在北極海冰研究方面耕耘已久，其觀測歷史較長、觀測手段豐富且技術先進，獲取的數據較多，能夠通過相關機構發布海冰預報產品。西半球近北極國家（如德國、法國）依托其相對完善的科技體系，對北極地區大多具備一定的觀監測和預報能力。南極大陸遠離人類主要聚集區，國際社會對南極海冰的預報需求相對較少，近年來隨著南極科考和旅游活動的頻繁開展，南極海冰預報的潛在價值逐漸顯現，有些國家已經嘗試開展業務化南極海冰預報服務。

由于區域海洋氣象條件差異的存在，加之海洋、海冰和冰架的相互作用，使得極地海冰變化更加復雜。我國自1984 年首次南極科學考察開始，迄今已進行了38 次南極科學考察。從2016 年開始北極科學考察進入常態化，之后每年進行1 次北極科學考察，極地科考項目的順利進行需要更準確的極地海冰數值預報保障。隨著“冰上絲綢之路”戰略的實施和北極航道適航性逐漸提高，越來越多的商船駛入了北冰洋。截至2021 年底，中遠海運特運已成功開展46 艘船只56 個航次的東北航道商業航行，初步實現北極東北航道的常態化運營。商船航行安全對極地海冰數值預報的需求也進一步提升。

為滿足極地活動對極地海冰預報、預測越來越高的要求，近年來我國也加強了對極地環境觀監測產品的數據同化研究，研發了適用于極區的冰-海耦合以及氣-冰-海耦合數值預報系統，開展了兩極海冰精細化短期預報和中長期預測，并加強極地海冰預報產品與極地科學考察和商業航運需求的銜接。本文簡要介紹國內外極地海冰業務化預報系統的現狀，并展望未來發展的難點與問題。

1 國外極地海冰預報系統

目前，國際上許多國家都開展了極地海冰預報工作，環北極和歐洲一些國家的極地預報信息相對全面。早期業務化數值預報中心曾經使用單純的海冰模型[1]開展海冰業務化預報，這些模型能基于海冰熱力學和動力學方程反映基本的海冰物理過程，預報海冰的生長、融化和漂移，如CICE 模型[2]、Louvain-la-Neuve 海冰模型[3]和海冰模擬器[4]等。隨著超級計算機技術的發展，計算能力得到大幅提升，使得具備模擬極區界面間多尺度耦合過程能力的大氣-海冰-海洋耦合模型配置成為可能，業務化中心也越來越多地建立全球或區域大氣-海冰-海洋耦合預報系統，能夠在多種時間尺度上對極地海冰進行預報，但這些預報系統大多同化。

將海冰模式作為其預報系統必要組成部分的業務化預報中心如下頁表1 所示[5]。這些模型的海冰分辨率正在向更細的尺度發展，全球模型能達到1/12°，區域模型的分辨率甚至更高。法國的GLOHR/CMEMS 系統具有較高水平分辨率，在南極沿岸海域可達2 km；美國的ACNFS 系統在北極點附近的水平分辨率可達3.5 km。這2 個系統能夠較好地模擬極區中尺度渦旋、渦絲等海洋中尺度過程，具備多尺度海洋動力學解析能力。業務化中心的數據同化代碼通常比物理模型更復雜，并與物理模型結合在一起，海冰和海洋表層參數衛星觀測數據以及海洋上層溫鹽特性潛浮標觀測數據是常見的同化要素。

表1所列的海冰預報系統有各自的數據同化方案，其數據同化方案多數是基于變分同化或者濾波同化方法。隨著數據同化方案的復雜程度增加，同化的觀測資料數量和種類也更加豐富。四維變分同化技術和集合濾波同化技術具備多時間、多要素觀測資料同化能力，被認為是有效提高海冰預報預測水平的潛在方法。下文舉例介紹幾個國外海冰預報系統及其主要參數配置。

表1 包括海冰模式的業務化數值預報系統

1.1 美國海軍研究實驗室北極冰蓋現報/ 預報系統

北極冰蓋現報/預報系統（Arctic capnowcast/forecast system,ACNFS）由美國海軍研究實驗室（naval research laboratory,NRL）開發，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室海冰模式（community ice code,CICE）、邁阿密大學混合坐標海洋模式（HYbrid coordinate ocean model，HYCOM），以及美國海軍耦合海洋數據同化系統（navy coupled ocean data assimilation system，NCODA）所組成。

該系統數據交換模塊基于地球系統模式框架（earth system modeling framework,ESMF），系統水平分辨率隨著地理緯度變化，極點附近區域水平分辨率為3.5 km，南邊界40°N 附近水平分辨率為 7 km。海冰模式CICE 改進了海冰熱力學、動力學參數化方案和基于能量的造脊過程，并具有多類冰厚的預報能力。海洋模式HYCOM 使用三角網格，在海洋內區采用等密度面坐標，在沿岸區域采用地形跟隨坐標，在上混合層采用z 坐標，并加入了氣候態徑流月數據以及潮汐數據。同化系統NCODA使用三維變分方法同化了衛星觀測高度計數據、海冰密集度、海表面溫度數據，以及來自投棄式溫度剖面測量系統（expendable bathy thermograph，XBT）、溫鹽深儀（conductivity,temperature,and depth，CTD）、自沉浮式剖面探測（Argo）浮標、錨定浮標等現場觀測設備實時獲取并傳輸的海洋垂向溫鹽數據。

ACNFS 系統使用美國海軍業務化全球大氣預報系統（navy operational global atmospheric prediction system,NOGAPS）提供的0.5°大氣強迫場和1/12°全球HYCOM 模式提供的海洋開邊界條件驅動，ACNFS 系統各組成模式間傳遞的變量關系如圖1 所示[6]。該系統在海軍海洋辦公室（naval oceanographic office,NAVOCEANO）業務化運行，每天產生當天現報和未來5 d 的預報，產品包括海冰密度、厚度、漂移路徑、海流以及三維溫鹽數據。2017 年9 月起，ACNFS 被采用相同模式配置的全球預報系統GOFS 3.1取代。

圖1 ACNFS 系統各組成模式間傳遞的變量

1.2 挪威南森環境與遙感中心/挪威氣象 預報系統

TOPAZ4 是一個覆蓋北大西洋及北冰洋的區域性海洋/海冰實時預報系統，由挪威南森環境與遙感中心開發，其海洋模式選用混合坐標海洋模式HYCOM，海冰模式選用Hibler 79 類型的兩類冰熱力學及彈-黏-塑流變學模式。系統大氣強迫場來自歐洲中期天氣預報中心（European centre for medium-range weather forecasts,ECMWF）發布的實時高分辨率（0.5°）大氣預報數據。系統采用集合卡曼濾波同化方法同化了海平面高度異常、海表面溫度、海冰密集度和海冰漂移等準實時衛星資料以及海洋垂向溫鹽廓線潛標觀測等信息。

TOPAZ4 模式區域參見圖2。

圖2 TOPAZ4 模式區域

TOPAZ4 系統在挪威氣象局每周業務化運行1次，可提供實效達10 d 的北極海冰預報信息，包括海冰密集度、海冰厚度和海冰漂移速度等產品。上頁圖2 中區域5 所示為北極預報海域[7]，在該海域產品水平分辨率可達12.5 km。

TOPAZ4 是歐洲哥白尼海洋環境監測服務（the Copernicus marine environment monitoring service,CMEMS）北極海冰-海洋預報信息的官方提供者，已被歐洲多個研究機構用作大西洋及北冰洋海洋/ 海冰狀況的數值預報參考。其產品有助于用戶了解北極大西洋一側海域（特別是喀拉海、巴倫支海以及挪威北部沿海重要港口區域）的海冰發展情況，為在挪威附近海域航行的船只提供海冰預報參考。

1.3 法國墨卡托海洋中心全球海冰預報系統

2016 年10 月19 日起，在歐洲哥白尼海洋環境監測服務（CMEMS）框架下，法國墨卡托海洋中心發布了新的全球（1/12）°高分辨率實時預報系統GLO-HR。該系統內核版本名為PSY4V3，是CMEMS V4 階段的核心模型之一。墨卡托海洋中心全球分析和預測系統過去各個里程碑的時間軸如 圖3 所示[8]。該系統采用NEMO v3.1 海洋模型，其物理配置基于三極ORCA12 網格，赤道區域水平分辨率為9 km，在南極沿岸區域水平分辨率可達 2 km，垂直方向采用z坐標，垂向分層 50 層。動量平流項采用Arakawa 和Lamb 提出的能量和熵守恒方案計算，示蹤劑的平流項用總方差遞減（TVD）平流方案計算。海洋模式的大氣場強迫取自歐洲中期天氣預報中心綜合預報系統（integrated forecast system,IFS）預報數據，動量和熱湍流表面通量由Large 和Yeager 體公式計算，向下的長波和短波輻射通量和降雨通量也被用于地表熱量和淡水收支。

圖3 墨卡托海洋全球分析和預測系統過去各個里程碑的時間軸

PSY4V3 系統采用單變量單數據同化方案同化了OSISAF 在2 個半球的海冰密集度。與之前的系統相比，PSY4V3 系統海冰模擬有明顯的改善，更接近觀測結果，能真實再現海冰的季節循環。數據同化方案SAM 使用Lellouche 等人描述的增量分析更新（incremental analysis update,IAU）方法在模式中對海冰進行校正，考慮到海冰厚度恒定，海冰體積會根據這一修正進行調整。目前該系統沒有同化任何海冰厚度觀測數據，因為衛星監測海冰體積存在較多不確定性，故難以可靠評估模擬的海冰體積。

1.4 加拿大氣象和環境預測中心全球海冰 預報系統

加拿大氣象中心業務化運行的全球海冰預報系統（global ice ocean prediction system,GIOPS）由加拿大環境部、漁業與海洋部、國防部等多組織成立的加拿大環境耦合預測系統業務網絡與法國業務海洋學機構（墨卡托海洋中心）合作開發，自2011 年起業務化運行，系統水平分辨率0.25°，提供未來10 d 的海冰、海洋要素預報。

最新版本的GIOPS 由基于歐洲海洋模擬內核NEMO v3.1 的海洋模式與美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室海冰模式（CICE）組成，采用全球確定性預測系統(GDPS)的最底層大氣預報場驅動。GIOPS 每日發布全球0.25°海冰分析和未來10 d 的日平均和3 h 平均的海表面要素產品。其海冰密集度7 d預報產品的均方根誤差如圖4 所示[9]。

圖4 海冰密集度7 d 預報的均方根誤差空間分布

GIOPS 的海冰模塊采用CICE 4.0 模式，其海冰動力學通過使用彈-黏-塑性方法顯式求解二維海冰動量方程來計算速度場，海冰熱力學通過求解熱擴散方程計算雪和冰的生長/融化速率以及垂直方向的溫度分布。海冰模塊上邊界與大氣交換凈熱通量，下邊界與海洋交換熱通量，側向融化取決于浮冰的平均直徑。其模式亞網格采用10 種類型冰厚分布處理算法。預報系統采用多變量海洋資料同化分系統（SAM2）準實時同化了衛星觀測海表面高度異常、海表面溫度以及潛浮標觀測的海洋垂向溫鹽剖線數據，采用三維變分同化算法準實時同化了衛星觀測海冰密集度數據。

1.5 丹麥氣象研究所北極和北大西洋海冰 預報系統

丹麥HYCOM-CICE 海冰預報系統是美國ACNFS系統的簡化版本，由美國海軍研究實驗室（NRL）開發。該版本水平分辨率10 km，模式區域覆蓋北冰洋和大西洋至約20° S 處。海冰模式CICE 配置4 層海冰熱力學層和1 層雪層。海洋模式HYCOM 設有40 個垂直層，引入了潮汐模塊，通過修改輸入輻射方案糾正了大氣強迫和模型之間的冰蓋不一致性。

該模型1997 年初始化，模式區域在巴倫支海峽和南大西洋設有2 個海洋開邊界，邊界上沒有規定體積運輸[10]。其采用8 組分的潮汐強迫場、丹麥氣象局高分辨率有限區域模式（high resolution limited area model,Hirlam）的短期大氣強迫場、ECMWF的中期大氣強迫場以及Levitus 氣候態的邊界條件驅動。該模型使用10 d 間隔松弛逼近方案同化了衛星觀測海冰密集度數據，使用30 d 間隔松弛逼近方案同化了衛星觀測海表面溫度數據和氣候態海洋鹽度數據。該系統每天輸出2 次66 h 的海洋環境預報產品，包括海冰密集度、海表面高度、有效波高、波周期以及三維的海洋溫鹽流場等要素。圖5 顯示了 HYCOM-CICE 模擬的2004 年至2013年平均海冰天數。

圖5 HYCOM-CICE 模擬的2004 年至2013 年平均海冰天數

2 我國極地海冰預報系統

國家海洋環境預報中心于2009 年引進通用環流模式MITgcm，采用海冰-海洋雙向耦合，選取泛北極為模式區域建立了北極冰海耦合數值模型并開展模型評估實驗，發現該模型能合理地模擬北極海冰的季節和年際變化[11]，證實了該模式具有較好的北極海冰數值模擬能力，可作為開展北極海冰短期預報研究的數值基礎。2010 年春季初步搭建起第1 代北極海冰數值預報系統，該系統選取美國國家環境預測中心NCEP 的全球預報系統GFS 大氣預報數據為模型強迫場。自2010 年第4 次北極科學考察開始，該系統開始為中國北極科學考察隊提供北極海冰數值預報產品。2012 年，該系統實現了采用松弛逼近方法同化衛星反演海冰密集度數據的初始化優化技術[12]，經過海冰密集度衛星數據的校正，該預報系統對海冰密集度的預報效果有了進一步的提高。

從2015 年開始，國家海洋環境預報中心與德國阿爾弗雷德魏格納極地與海洋研究所建立了長效合作機制，雙方共同研發極地環境多參數數據同化技術。雙方基于集合卡曼濾波算法開展了海冰密集度數據同化、海冰厚度數據同化、海表面溫度數據同化和集合大氣強迫擾動等一系列同化算法研 究[13-18]，在此基礎上建立了新一代的北極海冰短期預報系統ArcIOPS[19-20]，并于2017 年投入業務化應用。系統每天自動運行，提供未來7 d 北極海冰和海洋狀態預報，如圖6所示。

圖6 北極海冰短期預報系統（ArcIOPS）架構圖

ArcIOPS 系統目前有2 個版本，低分辨率版本水平分辨率為18 km，高分辨率版本水平分辨率為4.5 km。受制于計算資源限制，目前業務化運行的為低分辨率系統。ArcIOPS 系統海冰模塊基于Hibler 79 零層冰/雪熱力學模型、黏-塑性流變學模型構建，目前已實現衛星觀測海冰密集度、海冰厚度以及無冰區海表面溫度數據的實時同化。經過中國第8 至12 次北極科學考察中的實際應用證實，系統能有效融合北極海冰密集度、海冰厚度和海表面溫度等衛星觀測信息，對海冰密集度、海冰厚度和海冰漂移等變量的7 d 預報能力有相應的保證。ArcIOPS 系統預報產品每天發布在中國海洋預報網冰上絲綢之路平臺，如下頁圖7 所示（https://www.oceanguide.org.cn/IceIndexHome/DensityIce）。

圖7 2022 年6 月27 日00 時起報未來24 小時北極海冰厚度分布

與北極不同，南極大陸被廣闊的南大洋所包圍，地處大氣-海洋-海冰強耦合區，南極海冰變化受風場、海洋流場等動力學要素影響較大，海洋開邊界條件在較長時間尺度上制約著南極海冰的預報能力，利用區域模式準確模擬南極海冰存在巨大挑戰。此外，在南極大陸近岸地區，海冰的變化還受局地復雜地形、下降風以及冰架等其他因素的影響，海冰的模擬應盡可能多地包含多圈層關鍵物理過程，技術難度高。

國家海洋環境預報中心憑借多年來在北極海冰預報系統研發方面的研究基礎和技術積累，于2020 年正式啟動南極海冰預報系統研發，2021 年中順利完成了預報系統模型搭建、參數調試、同化模塊的構建以及預報結果的檢驗等工作。新建設的南極海冰短期預報系統SOIPS 基于MITgcm 模式和PDAF 并行數據同化框架建立，環南極各主要冰架的下界面作為熱力學邊界條件也參與海洋模式計算。系統預報產品水平分辨率為18 km，時效7 d，產品包括環南極海冰密集度、海冰厚度、海冰漂移及海冰輻合率等要素。

SOIPS 系統采用12 個集合單元的集合卡曼濾波方法同化了每日AMSR2 海冰密集度觀測產品，如下頁圖8 所示，針對南極近岸復雜的地形特點，發展了一種可以根據海冰密集度觀測數據數量動態調整局地化半徑的同化方案。該方案有效地提升了同化模型在近岸低海冰密集度海域（如戴維斯海、普里茲灣和宇航員海）的海冰同化性能。SOIPS 系統在2021 年底試運行，為中國第38 次南極科學考察提供全南極海冰預報服務。

圖8 南極海冰短期預報系統SOIPS 預報的海冰密集度與觀測對比圖

由于南極海冰多為一年冰，海冰的生消受表層海溫變化影響很大，而衛星反演海表面溫度觀測資料已比較成熟，下一步將在SOIPS 系統中引入海表面溫度觀測資料同化，通過訂正海洋上層海溫的模擬偏差進而提高南極海冰的預報準確率。未來，隨著海冰厚度、冰上積雪厚度等更多衛星觀測要素產品的發展成熟，SOIPS 系統可以實現海冰-海洋多觀測要素的協同同化，預報水平也將會得到進一步提升。

3 結語

目前我國的極地大氣模式和極地海冰-海洋模式是分別獨立運行的，然而極地氣-冰-海界面的通量交換（熱通量、輻射通量、動量通量等）將三者緊密地聯系起來，對其相互作用過程的描述是各個分量模式目前所欠缺的。同時，對于北極航道復雜環境中的航行保障，要求數值模式提供高分辨率、種類豐富的預報產品，對不同冰區和不同航段能夠提供有區分性、有針對性的預報產品。此外，由于極地表層冰雪環境的特殊性，適用于中低緯度地區較為成熟的天氣海洋數值預報模式不能直接用于極地地區，需要在物理過程參數化方案、模式網格設計等方面作進一步改進，使模式能夠適用于極地地區。目前，極地天氣、海冰海洋的預報時效一般為1～2 周。未來隨著極地科考和航運保障需求的不斷增長，對預報時效也提出了更高要求，需要數值模式能夠提供更長時間的預測產品。

我國北極海冰短期預報系統ArcIOPS 使用集合卡曼濾波同化技術，盡可能地融合多源觀測數據，提升數值預報系統初始場質量，改進海冰短期預報效果，在國際上處于先進水平。而由于計算能力的限制，ArcIOPS 高分辨率版本尚未投入業務化運行，目前的業務化版本不具備分辨海洋中尺度過程的能力。此外，盡管我國極地環境數值預報取得了較大進步，但業務化極地大氣模式和極地海冰-海洋模式是分別獨立運行的，導致海冰數值預報系統缺失氣-冰-海界面部分耦合過程，海冰預報產品仍存在系統性的模擬偏差。解決這個問題的一個關鍵是改進耦合界面關鍵物理過程參數化方案，建立極區氣-冰-海全耦合數值預報系統。研發極地天氣和海冰-海洋預報模式及對應的資料同化技術和模式耦合技術，將會是一個長期的過程，需由專業團隊分工協作并進行大量基礎研究，更需要穩定的政策和經費支持?；谝陨蠁栴}，未來將從以下方向發展極地海冰預報系統：

（1）發展更具包容性的海冰數值模式。海冰的變化非常復雜，盡管可能存在技術性難度，但仍應盡量將海冰物理過程的眾多參數法方案選項集中納入同一個模型框架下，模型框架的包容性有利于更好地理解相同物理過程的替代機制。

（2）發展數據同化技術和集合預報技術。使用先進的同化技術（如集合卡曼濾波或四維變分同化等技術），盡可能地融合多源觀測數據，使模式初始場更接近真實場，是改進極地海冰短期預報效果的一個重要方向。

（3）發展分量模式的耦合技術。綜合考慮極地氣-冰-海的相互作用多尺度物理過程，研究極地氣-冰-海模式全耦合及界面參數化技術，實現極區全耦合數值模式氣-冰-海界面關鍵物理過程的完整性，進而從整體上提升極地海冰預報準確性。