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庄宜
5 years ago
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1 第卷第期年月大气科学!"# $ %&% % ' 杨清华刘骥平张占海等北极海冰数值预报的初步研究基于海冰海洋耦合模式 %# 的模拟试验大气科学, -. $ "!$ # " "! %"% % # % % " $ % % # $ # " %#!"# $ %&% %, 北极海冰数值预报的初步研究基于海冰海洋耦合模式的模拟试验杨清华刘骥平张占海吴辉碇李群邢建勇国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室北京, 国家海洋局第二海洋研究所杭州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中国极地研究中心上海摘要利用最近发展的 %# 麻省理工学院通用环流模式海冰海洋耦合模式以 8 美国国家环境预测中心再分析资料为大气强迫场进行了年月至年月北极海冰数值模拟结果表明此模式能很好地模拟卫星观测的北极海冰季节和年际变化具备很好的北极海冰数值模拟能力以此为基础对年月和月北极海冰消融和增长两个例分别进行了组后报试验研究试验分别以 8 再分析气候场 829& 全球预报系统预报资料为大气强迫场并采用了两种不同的融合 && 专用微波成像仪海冰密集度的初始化方案预报结果与 && 的对比以及预报技能分析表明此模式具备对北极海冰的短时预报能力大气强迫场的不同对海冰预报的改善不显著而初始化考虑 && 海冰密集度以减少初始误差的预报能更好地模拟出海冰的消融和增长此外模式模拟的海冰密集度略为偏高对海冰冻结过程的模拟能力要优于消融过程关键词北极海冰海洋耦合模式海冰预报文章编号, 中图分类号 8 文献标识码!! "#$ % &" ' "! "! ' '!" -! 2. : $ 3! 2 ;: 3. 2!" # $% & ' &# $ $, " $," $! % &"& $, "- &#&".,, " $ & $ ' " % #" 8 " " 6 # "8 %" " 收稿日期收修定稿资助项目中国科学院百人计划国家科技支撑计划! 国家自然科学基金资助项目,, 国家重点基础研究发展计划项目国家高技术研究发展计划,!! 公益性行业科研专项 2-3-, 作者简介杨清华男助理研究员主要从事极地环境研究预报 # 5# % 6 % 通讯作者刘骥平 # $ % %

2 大气科学!"# $ %&% % 卷 ' " $ " 6 $ %# % % " # % $ % % # """ # " 6 " "! %"% % " " # " "" 6" 6 #" && &$ %& % 6 # " " " " " %#% $ % % # % ""! %"% % 6 "" % %" " # " $ " " " $ 9 % " $ # " % %" " # $ % % #" 8 "29&2 9 % "& " # % $ " " " && % % % " " $ # " """ # 6 "! %"% % % "%$ " " # " " """ % % " "6 "6 " ""# $ % % " " && % % % " " %# %#$ 6 " % % " "!' % % "% % % $ #! %"% 引言近年的观测表明北极海冰正在发生快速变化 & " # ", 北极海冰覆盖范围从世纪年代开始减少夏季尤为明显 &" 6 ", 进入世纪后夏季海冰覆盖范围的减少明显加速由每十年减少增至每十年减少 &" 6 " 同时北极海冰厚度也明显变薄从, 年到年海冰厚度平均减小了超过 # " %< ", 北极海冰快速变化及其预测已成为国际上气候变化的焦点问题之一王秀成等伴随北极航道开通可能性的增加北极海上活动如极地科学考察极区渔业捕捞油气资源开发等必将愈加频繁海冰密集度边缘线位置厚度等信息的掌握对极地航海活动非常重要遥感是获取海冰信息的重要手段但只能提供历史及当前的海冰分布对未来海冰分布和变化的掌握则须借助数值预报因此实现海冰实时预报已成为极地航海保障工作的迫切需要近年来美国和挪威等环北极国家在极区海冰海洋耦合模式研究和业务化应用上取得了很大进展美国海军从, 年开始尝试北极海冰实时数值预报现已发展了极地海冰业务化数值预报系统 8 8&8 % 8 %" & " # 版为极地不同海域提供实时海冰数值预报产品 8 " 挪威南森环境和遥感中心 6 # " # " & " & 海冰海洋数值预报系统 8! $ " 8 %" " # " "!" "% $ % " 不仅为欧洲多家研究机构用于北大西洋和北极海洋海冰数值模拟并采用集合卡曼滤波同化技术实施冰海洋实时预报 " =", 我国已陆续开展了次北极科学考察对北极海冰的认识和研究水平有了很大提高但尚未开展北极海冰业务化数值预报研究目前正在进行的全球海洋环流与气候评估计划 "#"" % " #" " % 8 旨在发展高分辨率海洋海冰模拟与诊断系统特别是提高极地冰海耦合数值模拟能力 # ", 该计划最近发展的 %# 麻省理工学院通用环流模式区域海冰海洋耦合模式已初步应用于极地冰海耦合模拟研究如海冰参数化方案对北极海冰模拟的影响 % " 穿加拿大北极群岛海冰输运的敏感性试验 3 # "% " 以及南大洋涡尺度海洋状态模拟 " 等本文首先评估了 %# 区域海冰海洋耦合模式对北极海冰的模拟能力以此为基础选用不同的大气强迫场和海冰初始化方案进行了组北极海冰后报试验研究, 模式介绍和模拟评估, 模式简介本文所用 %# 版本是 % %<$ " $ 海洋模式采用! < 网格具有静力近似准静力近似和非静力近似的模拟能力 %# $ 模式采用有限体积离散方法同时提供处理不规则地形的正交曲线坐标系和三角网格从而使模式适用于各种地形情况模式采用的切削网格技术保证通量守恒使模拟结果不漂移实现年际年代际等尺度过程的模拟海冰模式同样采用

3 期杨清华等北极海冰数值预报的初步研究基于海冰海洋耦合模式 %# 的模拟试验 -! 2. "!8 # &" "! %"%& % # %9 % " $ &! < 网格海冰动力学有弹粘塑流变学 3 < 和粘塑迭代算法 3 两种方案本文选用粘塑迭代方案海冰热力学有带有雪盖的零层 ", 和三层 ;" 两个选项本文使用零层方案耦合模式需要的强迫场包括 # 风速 # 气温和比湿向下长波和短波辐射降水蒸发河流和冰川径流冰海之间双向耦合海洋向海冰模块提供表层水温盐度流场信息而海冰模块则提供海冰密集度淡水通量热通量表面风应力等信息模式采用立方体球面网格允许区域内相对均匀的格点间距同时避免了极点奇异性问题! % " " 模拟的北极区域如图见文后彩图所示开边界取在大西洋和太平洋的 > 附近边界条件采用 "#"" % " #" " % 8 全球模拟结果 # " 主要包括位温盐度流和海表面高度北极区域?, 个格点网格局地正交水平网格格距较平均平均间距,<# 考虑进了主要的北极海峡海冰和海洋模式采用相同的水平网格海洋模式垂直方向层垂直分辨率从近表面的 # 到最大深度 # 处的 # 地形数据采用美国国家地球物理数据中心 2@ 的 A 全球地貌数据 8 &#"& 并对地形数据进行了平滑处理以适用于耦合模式开阔水干冰湿冰干雪和湿雪反照率分别选取,, 和, 气冰气海和海冰拖曳系数分别取值? B,? B 和海冰强度? 8 % " 海洋初始场采用极地科学中心水文气候场 83 数据集 &" " 海冰初始场引自太平洋北极冰海洋模拟和同化系统数据集 " %< 月平均河口淡水通量基于北极径流数据集 ## " 使用海洋表面通量无海冰时块体公式 8, 海洋边界层和对流混合方案线性耗散 " ", 方法海洋海冰耦合模式的积分时间步长均是,, 模拟能力评估给定初始的海洋海冰信息后使用年的 8 再分析资料每天次 C " 对 %# 冰海耦合模式进行了年的循环强迫使模拟的海冰和海洋状态基本达到稳定图略再以模拟结果作为初始场从年月日积分至年月日对比, 年月平均北极海冰面积模拟和 && 结果 8 2 & % % " " < &" 6 海冰密集度大于的格点计入面积计算可以看到模式较好地模拟出了北极海冰的季节和年际变化海冰的时空分布型式同 && 结果比较接近年来的海冰面积长期减少趋势同 && 较为吻合并成功模拟出了年的海冰面积极小值和, 年的第二低值图略同时模拟与 && 的海冰时间序列存在很好的相关图夏季, 月秋季月冬季月和春季月距平的相关系数分别为,,, 和海冰面积最小的月份的距平相关系数为进一步证明模式具备较好的模拟能力但模拟结果也存在着明显的系统误差如冬夏季模拟的海冰密集度均在一定程度上偏高且夏季偏差较大北极中央区的海冰密集度过高层次感不够等图略这一方面是由非真实的大气强迫导致的误差同时说明模式考虑的物理过程仍相对简单特别是对夏季热力学消融过程的考虑不够充分有待进一步改进总的来说模式具备一定的极地海冰数值模拟能力可用来开展北极海冰数值预报试验 - 北极海冰后报试验 - 大气强迫场和海冰初始化为了检验模式的短时预报能力我们以海冰消融和冻结变化较为显著的年月日和年月日为例分别设计了组后报试验预报时效为试验采用, 年平均的 8 再分析气候场每天次试验均采用 829&& " 大气预报场其水平和时间分辨率信息详见表初始化方面试验和试验均以预报开始日

4 大气科学!"# $ %&% % 卷 ' 图, 年北极海冰面积距平单位 <# 模拟结果同 && 比较夏季, 月平均秋季月平均 % 月平均 9 % #$ # "! %"% % # <# "" && # & ##! 6 & $ 66 %& $6 表. 组预报试验的强迫场和初始场比较 $ "' $ #"! " #"$ #"#" ' ' 试验名称大气强迫场初始场试验 8 再分析气候场, 多年平均 2 网格约 >? > 每天次模式长期积分结果试验 829& 资料 >?> 每天次模式长期积分结果试验 829& 资料 >?> 每天次基于模式长期积分结果海冰密集度由 && 部分替代冰厚水温经验调整试验 829& 资料 >?> 每天次基于模式长期积分结果海冰密集度由 && 完全替代极点 # 插值冰厚水温经验调整注指使用 8 再分析资料从年积分至年的结果的长期积分结果作为初始场试验参考了美国海军数值预报系统 8 8& 8 " 在初始化中考虑进 && 资料将 && 同模拟结果进行比较若 && 密集度大于, 且两者差别大于或 && 小于且两者差别大于时将对应格点的模拟密集度替换为 && 密集度同时经验调整对应的冰厚水温场以同调整后的海冰密集度相一致 8 " 若模拟有冰 && 无冰将冰从模式场中移除混合层海温提高 D 若模拟无冰 && 有冰冰厚改为 # 密集度大于或 # 密集度小于混合层海温改为海水冻结温度模式取为 B D 试验则用 && 资料完全替代了模拟的海冰密集度并对极点附近的缺测区域进行了 # 客观插值 # 相应的冰厚水温调整方案同试验一致以年月日后报试验为例图见文后彩图给出了种试验所采用的初值及其比较相比初始态试验图的海冰外缘线显著收缩如加拿大海盆楚科奇海喀拉海巴伦支海格陵兰海以及福克斯湾但相对 && 图给出的海冰密集度仍明显偏大区分度低试验图 % 完全考虑进了 && 结果并补充了极点附近的海冰信息 -, 后报试验结果及分析图表示两个例的北极海冰面积预报结果及其与分析场 && 并对极点附近的缺测区域进行了 # 插值的对比个试验均能反映

5 期杨清华等北极海冰数值预报的初步研究基于海冰海洋耦合模式 %# 的模拟试验 -! 2. "!8 # &" "! %"%& % # %9 % " $ & 图北极海冰面积预报结果同分析场比较单位 <# 年月日年月日 9! %"% % % #$ " % " %" 出海冰消融冻结趋势说明模式具备模拟天气尺度海冰变化的能力两个例的试验和试验结果非常接近随着时间积分试验相对试验有略微改进考虑到试验大气强迫场的差异说明大气强迫信息对天气尺度的北极海冰模拟影响不大两个例的试验结果均明显好于试验特别是试验预报结果同 && 在数值和变化趋势上都最为接近说明了初始化方案对于短时海冰预报的重要性通过完全考虑进海冰初始信息试验显著减小了海冰初始场误差进而改进了预报结果但也看到试验给出的海冰消融增长速度略微偏快这表明模式的海冰热力学参数化过程仍有待改进图和图分别给出两个例小时后报结果及其与分析场的对比对于海冰消融个例由于初始化没有考虑 && 资料试验和试验预报的海冰范围明显偏大特别是西波弗特海楚科奇海东西伯利亚海巴伦支海及哈得孙湾且密集度明显偏高与试验和相比初始化中考虑进部分 && 信息的试验对海冰范围的预报有了显著改进外缘线更接近卫星观测但预报的海冰密集度仍然偏高当采用考虑了所有 && 信息的初始化后试验预报的海冰密集度比试验有明显改进但仍存在一定局地偏差如格陵兰海的海冰外缘线偏南等同样对于海冰冻结个例试验和试验模拟的海冰范围明显偏大海冰边缘线显著偏南主要体现在西波弗特海楚科奇海东西伯利亚海巴伦支海和格陵兰海密集度预报显著偏高试验对海冰外缘线预报有明显改进但得到的密集度数值仍偏高试验预报的外缘线和密集度同 && 最为接近但同样存在一定的局地偏差如格陵兰海密集度偏高外缘线偏南东西伯利亚海密集度偏低海冰范围偏小 - - 预报技能分析为了进一步评估后报试验结果以下对各组试验的预报技能进行了分析预报技能, % " < 是预报准确性的度量预报技能得分 < % 定义为,,, $, 其中,, $, 分别代表预报系统完美无误差预报参考预报的预报准确性引入均方误差 $,, 即 % 得到 % 其中和代表预报场和完美预报场和指对应预报时刻的客观分析或观测和参考场由于完美预报的均方误差为方程可进一步写为

6 BCD 大!气!科!学 &', '!!!!!"卷 9 :!" 图"!# $ $ N年C月# $日北极海冰密集度分布'% &试验%预报场-% L&试验#预报场-% &试验!预报场-% I&试验B预报场-% &88<,?结果 W "!@' #$,. #$$N'% &W %-% L&2 #-% &2!-% I&2 A> B-% &88<,?I 图O!同图"!但为#$$N年%$月%"日 W O!8 5 W "!L. 2 %"\ #$$N A> A>

7 期杨清华等北极海冰数值预报的初步研究基于海冰海洋耦合模式 %# 的模拟试验 -! 2. "!8 # &" "! %"%& % # %9 % " $ & 从公式可得若参考场均方误差大于小于预报场为正负表示预报优于参考场 E 代表完美预报说明无预报技能即为相对参考场的有效预报 3 " ", 定义相对于气候场的预报技能得分 ' ; " " 为 % 其中指小时预报场 E, 和分别为相应时间的客观分析场和,, 年平均的逐日 && 气候场 <&" 6 表给出了两后报个例相对于 && 气候场的预报技能得分 % 试验得分略高于试验但两者所有得分均负表明相对气候态没有改进试验较试验的得分有明显提高对海冰增长过程的得分为正且均高于但对海冰消融过程的预报得分仍为负说明试验对冻结过程的预报优于没考虑初始信息的试验和但不具备对海冰消融过程的预报能力这主要是由于试验的初始化调整主要集中在海冰边缘格点海冰密集度在, 的初始误差对预报准确性的影响仍较大试验的得分最高两个例的 % 预报得分多在, 以上均显著高于表明试验的预报结果相对试验具有明显的改进各试验对海冰增长过程的预报得分 % 均高于消融过程表明模式对海冰冻结过程的模拟优于消融过程为了进一步度量预报准确性将参考预报场设为初始的海冰分析场且不随时间变化引入相对于惯性预报 $ " % 的预报技能得分 $ ' ; " " $ 其中 $ 指相对于惯性预报的技能得分指初始的海冰分析场表所示各试验的 $ 相对 % 得分均有明显下降试验的 $ 得分均为负消融个例中试验的 $ 得分低于 B 试验的 $ 得分也低于 B 表明试验相对于以初始时刻海冰分析场为参考场的惯性预报没有改进试验除消融个例的得分为 B 其它得分均为正且基本高于表明试验相对惯性预报有显著改进此外表也显示各试验的冻结过程得分明显高于消融过程表明 %# 表,,.,$ 预报技能 % 得分,$,.,$#" '' '" ' % 年月日年月日试验名称,, 试验 B, B B, B, B B B B B B 试验 B B B B B B B B,, B B 试验 B, B B B B, 试验,,,,,,, 表 -,.,$ 预报技能 $ 得分 -$,.,$#" '' '" ' $ 年月日年月日试验名称,, 试验 B B, B B, B, B B B B B 试验 B B B B,, B B B B B B 试验 B B B B B, B B B B B, 试验 B,

8 , 大气科学!"# $ %&% % 卷 ' 模式对海冰消融过程的模拟不够准确有必要对模式消融过程的热力学过程做进一步改进预报技能分析验证了初始化中数据融合的重要性考虑进 && 资料的海冰预报可减少初始误差提高预报准确性. 结论和讨论本文利用最近发展的 %# 海冰海洋耦合模式进行了北极海冰数值模拟和后报试验结果表明此模式能够很好地模拟出观测的北极海冰的季节和年际变化特别是模拟与观测的海冰时间序列存在很好的相关因此该模式具有很好的北极海冰数值模拟能力以此为基础结合年月日和月日北极海冰较为明显的消融和增长个例分别采用不同的大气强迫场和初始化条件进行了组后报试验研究进一步验证了模式具备对北极海冰的短时预报能力后报试验表明大气强迫场的不同对海冰预报的改善不显著而初始化考虑 && 海冰密集度以减少初始误差的预报能更好地预报出海冰的消融和增长但模拟和后报试验结果也显示模式模拟的海冰密集度略为偏高海冰消融过程比冻结过程的预报得分相对偏低针对上述问题我们将在今后进行以下方面的研究大气强迫场试验采用了 8 再分析气候场资料试验采用了实时的 829& 预报资料但两者的模拟结果接近试验并未取得明显优于试验的模拟结果这表明模式对大气强迫变化的响应不是很显著一种可能性是本文从海冰变化角度选择了海冰消融和增长比较明显的个例而非典型的天气变化个例另一种可能性是本文采用的大气强迫场水平分辨率相对较低 > 不能为冰海耦合模式提供较小尺度的大气强迫信息从而在一定程度影响了冰海耦合模式,<# 对大气强迫的响应下一步我们将选择典型的天气过程个例来研究模式对大气强迫的响应并尝试使用更高分辨率的 8 ; 9 大气模式预报产品作为大气强迫场海冰海洋初始场试验的预报结果相对试验有显著地改善说明采用 && 观测资料减小初始误差能够有助于模拟出天气尺度的海冰消融和增长但目前考虑进的海冰信息仅限于海冰密集度而对冰厚海温的调整相对简单应采用更合理的海冰海洋经验关系进行初始化处理并考虑进海冰运动信息模式物理参数化此模式海冰热力学参数化过程相对简单如海冰和积雪反照率为常数且相对偏大没有很好地反映出冰雪下垫面的物理属性同时模式没有考虑融化期占比例很高的融池和冰间水道的影响导致模式不能准确反映融化期海冰反照率的正反馈机制进而无法准确模拟海冰的消融过程致谢计划发展的冰海耦合模式为预报工作的开展提供了平台在此表示衷心感谢参考文献 # '!% "!#$ 3 " #$ # "" "# $ % % % " # " $ $ %% ; 6,, " =" C!, 8!# " $ % " " # "!""%! %"% % $ %, C! " # # " % 2 $ # 8 < 2 " ",!%% " % "! %"% % % 6 2 $ " 2 # 2 8! $ " %"6 " # ; 6, 3 # %8 % " " # " % # 8 " # # " " % $ " "6" " "! %"%! %$ %, 3 "!! $ C "< ", $ # % # # % "# " #$%" $ %$ # " " ; 6, 3 < ' % $ "% % #% "" '8 # " #$ " 8,, C C#" C " " 8! $ %"!# " & % ## &< # 6! ' # " "! # " % " #$! %"% 6 6 " % % 2

9 期杨清华等北极海冰数值预报的初步研究基于海冰海洋耦合模式 %# 的模拟试验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王秀成刘骥平俞永强等海冰模式与!&2!8 气候系统模式的耦合试验大气科学, ; " $ # " % $ % # "!&2!8%#" " # #!"# $ %&% %, ;"! # " " % #!"# % % % 3 % " # %# " # % #% 2 $,, 3 ",! %"%% % # " " "%#" " 8 %, " %<@! % " "%< "$ " " # % 6 % " ; 6,,

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南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布

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