氣候系統(tǒng)模式對(duì)于北極海冰模擬分析

邱博 張錄軍 儲(chǔ)敏 吳統(tǒng)文 譚慧慧

（1南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093；2江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210093；3中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心，北京100081）

0 引言

目前，全球變化導(dǎo)致北極地區(qū)迅速增暖，特別是20世紀(jì)80年代以來(lái)，北極地區(qū)海冰快速減少［1-3］。Holland等［4］指出由于北極地區(qū)冰雪反照率的反饋?zhàn)饔?，使得這一地區(qū)對(duì)全球氣候的變化尤其敏感。北極地區(qū)海冰減少，溫度又進(jìn)一步升高，并且通過(guò)其對(duì)大氣的正/負(fù)反饋進(jìn)而影響遙遠(yuǎn)區(qū)域的氣候變異［5-9］。Francis等［10］研究指出，9月份海冰范圍與后期冬季大尺度大氣環(huán)流異常相聯(lián)系。同時(shí)，海冰的減少，對(duì)于北極地區(qū)的航海，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)及其對(duì)中緯度的極端天氣的變化都有著重要的影響［11］。

氣候模式已經(jīng)成為研究氣候變率及其變化的重要工具，全球耦合模式對(duì)比計(jì)劃為我們提供了全球許多國(guó)家主要的海氣耦合模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使得我們可以評(píng)估這些模式是否能夠正確地模擬出海冰的分布、變率及其變化趨勢(shì)。IPCC第三次評(píng)估報(bào)告［12］指出，關(guān)于氣候模式改進(jìn)最重要的任務(wù)之一是盡可能減少模式的不確定性，因而，模擬結(jié)果的檢驗(yàn)，尤其模式間的相互比較非常重要。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告（IPCC AR4）使用的是第三階段全球耦合模式對(duì)比計(jì)劃（CMIP3）的全球約20個(gè)耦合模式的模擬結(jié)果，Arzel等［13］在此次報(bào)告中評(píng)估了不同模式對(duì)于海冰的模擬能力。盡管如此，CMIP3的模式在模擬海冰面積大小以及變化趨勢(shì)等方面仍然存在很多的不確定性［14-16］。

第五階段全球耦合模式對(duì)比計(jì)劃（CMIP5）為IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（IPCC AR5）撰寫(xiě)提供重要科學(xué)依據(jù)，Stroeve等［17］評(píng)估了 CMIP5和 CMIP3模式對(duì)于海冰的模擬能力，但是這篇文章主要側(cè)重于分析模式對(duì)于北極海冰變化趨勢(shì)的模擬，而對(duì)于CMIP5模式模擬北極海冰的空間分布、年際變化以及北極海冰對(duì)氣候變暖的響應(yīng)等方面則涉及較少，而這正是本文的研究重點(diǎn)。因此，我們把CMIP5的模式海冰結(jié)果與觀測(cè)資料進(jìn)行比較，以此來(lái)評(píng)估氣候模式對(duì)于北極海冰的模擬能力，并且研究這些模式模擬的北極海冰的變化對(duì)于全球變化的響應(yīng)。

1 模式和資料簡(jiǎn)介

本文用到了參加CMIP5的15個(gè)耦合模式模擬的海冰密集度（sea ice concentration，簡(jiǎn)稱SIC）和地表氣溫（surface air temperature，簡(jiǎn)稱 SAT）資料（http：//cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/），這些模式分別來(lái)自6個(gè)國(guó)家的不同的研究機(jī)構(gòu)，基本能反映當(dāng)前國(guó)際氣候系統(tǒng)模式的水平。

參加CMIP5的氣候模擬試驗(yàn)的目的，是利用實(shí)際的外強(qiáng)迫來(lái)驅(qū)動(dòng)耦合模式，模擬20世紀(jì)氣候的實(shí)際演變過(guò)程，考察耦合模式的模擬能力，以此作為評(píng)估這些耦合模式所預(yù)估的未來(lái)氣候變化情景的可信度。表1給出了15個(gè)模式的簡(jiǎn)單介紹以及部分計(jì)算結(jié)果，其中14個(gè)模式是從19世紀(jì)中期開(kāi)始積分的，而CanCM4是從20世紀(jì)中期開(kāi)始的。每個(gè)模式的集合實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)從1個(gè)到10個(gè)不等，文中涉及北極海冰面積（sea ice extent，簡(jiǎn)稱SIE）等方面計(jì)算的時(shí)候均采用集合平均的方法，同時(shí)由于不同模式的水平分辨率不同，在分析之前，我們將所有的模擬結(jié)果插值到1°×1°分辨率的規(guī)則網(wǎng)格上。

為檢驗(yàn)?zāi)Ｊ叫阅?，本文使用了NOAA/NSIDC的北極海冰的衛(wèi)星觀測(cè)資料，由于衛(wèi)星資料是從1978年10月開(kāi)始的，所以本文主要關(guān)注1979—2005年北極的海冰的變化。Parkinson等［18］和 Zwally等［19］計(jì)算的海冰面積是指海冰密集度不小于15%的海區(qū)面積，所以本文在計(jì)算模式的海冰面積時(shí)，也采用這一標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)本文中表面氣溫（SAT）的資料還用到了NCEP/NCAR Reanalysis 2再分析資料。為討論方便，在與模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，將美國(guó)NOAA/NSIDC的北極海冰資料和NCEP再分析資料統(tǒng)稱為觀測(cè)資料。同時(shí)，本文參考Clare和Walsh的海冰季節(jié)劃分方法［20］，定義冬季為 1—3月，春季為4—6月，夏季為7—9月，秋季為10—12月。

表1 觀測(cè)資料和CM IP5模式的海冰面積、變率以及變化趨勢(shì)Table 1.SIE，variability and trends in observations and CMIP5 models

2 結(jié)果分析

2.1 北極海冰空間形態(tài)的模擬

圖1是1979—2005年冬季和夏季北極海冰密集度的空間分布。從圖中可以看到，冬季和夏季多模式集合平均的北極海冰的范圍均大于觀測(cè)，海冰模擬偏多的范圍主要集中在太平洋一側(cè)的鄂霍次克海以及白令海，以及大西洋一側(cè)的巴倫支海、格陵蘭海和拉布拉多海。但是在夏季，雖然多模式集合平均的北極海冰的范圍偏大，但是北冰洋邊緣海區(qū)的海冰密集度的數(shù)值要小于觀測(cè)。

圖1 1979—2005年觀測(cè)（a，b）和 CMIP5集合平均（c，d）北極海冰密集度的空間分布（%）.（a，c）冬季，（b，d）夏季Fig.1.The spatial distribution（%）of Arctic SIC from observations（a，b）and CMIP5 ensemblemean（c，d）over 1979—2005（a，c）winter；（b，d）summer

為了定量評(píng)估不同模式模擬的多年平均的海冰密集度空間型與觀測(cè)的相似度，把各個(gè)模式模擬的多年平均的海冰密集度與觀測(cè)空間相關(guān)，并計(jì)算模式模擬的標(biāo)準(zhǔn)差與觀測(cè)的比率，將其表示在“泰勒”圖［21］上（圖2）。圖中的半徑表示標(biāo)準(zhǔn)差的比率，與縱坐標(biāo)軸的角度表示相關(guān)系數(shù)的反余弦，即離橫坐標(biāo)軸比率為1的半徑越近，則表示模式模擬的海冰密集度的形態(tài)越接近觀測(cè)。從圖中可以看到，多數(shù)模式模擬的多年平均的海冰密集度與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)都在0.6—0.9之間，并且除了FGOALS-g2以外，其他模式的空間標(biāo)準(zhǔn)差均小于觀測(cè)，其中BCCCSM1.1的空間標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于觀測(cè)，同時(shí)還可以看到，MIROC-ESM和MIROC-ESM-CHEM模式對(duì)于北極海冰空間分布模擬能力要強(qiáng)于其他模式。

2.2 北極海冰季節(jié)、年際變化的模擬

圖3給出了1979—2005年平均的北極海冰面積的季節(jié)變化。觀測(cè)資料結(jié)果顯示，北極海冰面積在3月達(dá)到全年最大值，為15.7×106km2，在9月達(dá)到最小值，為6.9×106km2。將模擬的北極海冰面積與觀測(cè)對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同的模式對(duì)于海冰面積的模擬差異很大。大部分模式模擬的海冰面積偏小，特別是8—10月，其中在全年海冰面積最小的9月份，GFDL-CM3模擬的海冰面積最少，而GISS-E2-R-CC和HadGEM2-AO模擬的9月海冰面積也有很大的負(fù)偏差。而CSIRO-Mk3.6.0模擬的海冰面積在所有季節(jié)均偏大，BCC-CSM1.1模擬的冬季北極海冰面積的明顯偏多，但在夏季面積則偏少。15個(gè)模式集合平均的結(jié)果與觀測(cè)較為接近。從季節(jié)變化的均方根誤差的計(jì)算結(jié)果看（表1），HadGEM2-ES的均方根誤差最小，為 0.83×106km2，CanESM2的均方根誤差也較小，而模擬最差的是BCC-CSM1.1，均方根誤差為4.38×106km2。

圖2 模式模擬多年平均的北極海冰空間能力的泰勒?qǐng)DFig.2.Taylor diagrams showing skills of geographical distribution ofmean Arctic sea ice

圖3 1979—2005年觀測(cè)資料和CMIP5模式的北極海冰面積的季節(jié)循環(huán)Fig.3.The seasonal cycle of Arctic SIE from observations and CMIP5 models over 1979—2005

圖4是1979—2005年北極海冰面積的年際變化，從圖中可以看到，CanCM4、HadGEM2-ES和GISS-E2-H-CC模擬的海冰面積與觀測(cè)較為接近，BCC-CSM1.1和 CSIRO-Mk3.6.0模擬的海冰面積偏多，GFDL-CM3則明顯偏少。而多模式集合平均的結(jié)果與觀測(cè)較為接近。從年際變化的均方根誤差的計(jì)算結(jié)果看（表1），CanCM4的均方根誤差最小，為0.23×106km2，接著是 HadGEM2-ES，模擬最差的是 GFDL-CM3，均方根誤差為3.87×106km2。

圖4 1979—2005年觀測(cè)資料和CMIP5模式的年平均北極海冰面積的年際變化Fig.4.The mean annual Arctic SIE from observations and CMIP5 models over 1979—2005

2.3 北極海冰的變化趨勢(shì)的模擬

以上主要分析了氣候模式對(duì)于北極海冰面積的季節(jié)和年際變化模擬效果，下面我們主要研究不同的氣候模式對(duì)于北極海冰變化趨勢(shì)的模擬能力。

圖5是1979—2005年不同季節(jié)北極海冰密集度變化趨勢(shì)的空間分布。在冬季，觀測(cè)（圖5a）中北大西洋一側(cè)的格陵蘭海、巴倫支海和巴芬灣的海冰均為顯著減少的趨勢(shì)，而在太平洋一側(cè)的鄂霍次克海的海冰減少的趨勢(shì)也較為顯著；多模式平均（圖5c）的結(jié)果中，海冰減少的范圍與觀測(cè)較為接近，但是減少的趨勢(shì)遠(yuǎn)小于觀測(cè)。在夏季，觀測(cè)（圖5b）中海冰減少的海區(qū)主要集中在北冰洋邊緣地區(qū)，特別是在楚科奇海、巴倫支海和喀拉海等海區(qū)；多模式平均（圖5d）的結(jié)果中，海冰減少的范圍比觀測(cè)大，但是減少的趨勢(shì)遠(yuǎn)小于觀測(cè)。

圖5 1979—2005年觀測(cè)（a，b）和CMIP5集合平均（c，d）北極海冰密集度變化趨勢(shì)的空間分布.（a，c）冬季；（b，d）夏季（單位：%·dec-1）Fig.5.The seasonalmean spatial distribution of trend in Arctic SIC from observations（a，b）and CMIP5 ensemblemean（c，d）over 1979—2005.（a，c）winter；（b，d）summer（unit：%·dec-1）

1979—2005年，在觀測(cè)中，年平均的北極海冰面積線性減少的趨勢(shì)為-0.44×106km2·dec-1，15個(gè)模式均模擬出了海冰面積減少的變化趨勢(shì)（表1），CanESM2模式的線性減少趨勢(shì)最大，為-0.5×106km2·dec-1，而FGOALS-g2模式的線性減少趨勢(shì)最小，為 -0.14×106km2·dec-1，而 HadGEM2-ES、HadCM3等模式的線性減少趨勢(shì)與觀測(cè)較為接近。

圖6是不同月份北極海冰面積的變化趨勢(shì)，在觀測(cè)中，各個(gè)月份海冰面積均為減少的變化趨勢(shì)，其中9月份減少的趨勢(shì)最大，為-0.59×106km2·dec-1，而5月份減少的趨勢(shì)最小，為 -0.36×106km2·dec-1。模式模擬的各月海冰面積的變化趨勢(shì)與觀測(cè)相差較大，多數(shù)模式模擬的海冰面積減少的趨勢(shì)要小于觀測(cè)值，特別是在冬季和春季。多模式集合平均的北極海冰面積變化趨勢(shì)在6月最小，為-0.22×106km2·dec-1，在 9月最大，為 -0.53×106km2·dec-1。

2.4 北極海冰對(duì)于全球變化的氣候敏感性分析

隨著大氣中溫室氣體濃度的持續(xù)增加和土地利用變化，氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化，周天軍等［22］利用19個(gè)氣候模式檢驗(yàn)了20世紀(jì)全球以及中國(guó)的地表氣溫的變化。與此同時(shí)，氣候變化已經(jīng)而且正在導(dǎo)致海平面上升、水圈循環(huán)變化、極端天氣和氣候事件頻率和強(qiáng)度增加等一系列的氣候和環(huán)境變化，尤其體現(xiàn)在對(duì)氣候變化較為敏感和脆弱的地區(qū)，而北極地區(qū)海冰在全球變化的背景下也顯著減少，下面我們分析北極海冰的變化對(duì)于全球變化的響應(yīng)。

圖6 1979—2005年觀測(cè)資料和CMIP5模式不同月份北極海冰面積的變化趨勢(shì)Fig.6.Monthly trends of Arctic SIE from observations and CMIP5 models over 1979—2005

Gregory等［23］和 Forster等［24］使用了一種新的表達(dá)式N-Q＝-YΔTs來(lái)診斷全球變暖下氣候敏感性的反饋情況，其中N表示氣候系統(tǒng)的凈熱量通量，Q表示氣候系統(tǒng)外部的輻射強(qiáng)迫，ΔTs表示地表氣溫的變化，Y則為氣候敏感因子，一些學(xué)者利用這個(gè)概念和方法做了中低緯度一些氣候敏感性的分析［25-26］。Zhang［27］指出，這種方法同樣適用于北極地區(qū)，并將上式變形為ΔAice＝-YΔTs，其中ΔAice表示海冰面積的異常，并用此方法討論了9月的海冰面積變化對(duì)北極地區(qū)地表氣溫的響應(yīng)。而Gregory等［28］和 Michael［29］指出北極海冰面積與全球溫度的變化密切相關(guān)，所以本文主要研究北極的年平均的海冰面積對(duì)于全球地表氣溫變化的響應(yīng)。

為了研究北極海冰的氣候敏感性Y，我們首先計(jì)算了1979—2005年平均的全球地表氣溫的變化（圖7），從圖中可以看到，觀測(cè)資料和模式的全球地表氣溫均呈現(xiàn)出增溫的變化趨勢(shì)，這與全球變暖的結(jié)果相一致。與觀測(cè)結(jié)果相比，多數(shù)模式模擬的全球地表氣溫低于觀測(cè)值，由前面的分析可知，很多模式模擬的北極海冰面積都比觀測(cè)值要小，而這些并不符合溫度降低，海冰面積增加的常識(shí)，模式的模擬結(jié)果中海冰面積和地表氣溫的不一致性說(shuō)明不同的模式的海冰對(duì)于溫度變化的響應(yīng)是不同的，而這些也使得我們需要進(jìn)一步探究海冰面積和地表氣溫之間的關(guān)系。

圖7 1979—2005年觀測(cè)資料和CMIP5模式年平均全球地表氣溫的變化趨勢(shì)Fig.7.Themean global SAT from the observations and CMIP5 models over 1979—2005

圖8 觀測(cè)（紅色）和模式（藍(lán)色）資料北極海冰面積和地表氣溫距平的散點(diǎn)分布和線性回歸Fig.8.Scatter plot and linear regression of annual Arctic SIE and SAT anomalies for models（blue）and observations（red）

圖8是觀測(cè)和所有模式的海冰面積和地表氣溫之間的關(guān)系，我們利用線性回歸的方法計(jì)算溫度異常和海冰面積異常之間的關(guān)系，分別計(jì)算觀測(cè)的海冰面積對(duì)于地表氣溫的敏感性（Yobs）和所有模式的氣候敏感性（Ymod），計(jì)算可得Yobs＝1.02×106km2·K-1，Ymod＝1.11×106km2·K-1，由此可知，模式模擬的北極海冰面積對(duì)于全球地表氣溫的響應(yīng)略強(qiáng)于觀測(cè)。表2給出了不同模式的氣候敏感性（Y）的數(shù)值，由表2可知，不同模式的氣候敏感性差異較大，其中 CSIRO-Mk3.6.0模式的Y的數(shù)值最小為0.62×106km2·K-1，而 GISS-E2-R-CC模式的Y的數(shù)值最大為1.68×106km2·K-1，說(shuō)明不同的模式的北極海冰面積對(duì)于地表氣溫的響應(yīng)有很大的不同。

為了進(jìn)一步揭示不同模式的北極海冰面積的變化對(duì)于氣候變化的響應(yīng)，我們根據(jù)不同模式的北極海冰面積季節(jié)和年際變化的均方根誤差之和作為標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)值越小說(shuō)明模式模擬得越好），將15個(gè)模式分為模擬好、較好、一般三種類(lèi)別（表2），從表2中可以看到，三類(lèi)Y的平均值依次為1.158×106km2·K-1、1.16×106km2·K-1和 1.186×106km2·K-1，說(shuō)明對(duì)于北極海冰面積模擬較好的模式，對(duì)于海冰面積變化對(duì)于溫度的響應(yīng)也跟觀測(cè)更接近一些。

表2 不同模式的氣候敏感性Table 2.Diagnosed sensitivity term for allmodels

3 小結(jié)

本文運(yùn)用觀測(cè)和CMIP5模式的海冰資料，評(píng)估了國(guó)內(nèi)外15個(gè)氣候模式模擬北極海冰的性能，多數(shù)模式都能夠較好地模擬出北極海冰的季節(jié)變化特征，但是大多數(shù)模式模擬的夏季海冰偏少，而年均海冰面積大小與觀測(cè)差別也較大。比較而言CanCM4、HadGEM2-ES模擬的年平均海冰面積較好，而多模式集合平均的結(jié)果與觀測(cè)較為接近。在觀測(cè)中，全年各月份海冰面積均呈現(xiàn)減少的變化趨勢(shì)，其中9月份減幅最大，而5月份減幅最小。目前，大部分的氣候系統(tǒng)模式也能夠模擬出北極海冰減少的變化趨勢(shì)，但減小幅度與實(shí)際差別較大。同時(shí)，在全球變化背景下，平均地表氣溫升高1℃，北極海冰的面積約減少1.02×106km2，而在模式中北極海冰面積的減幅位于 0.62×106—1.68×106km2之間，不同模式之間的氣候敏感性差異較大，說(shuō)明氣候系統(tǒng)模式對(duì)北極海冰時(shí)空?qǐng)龅哪M仍然存在很多不確定性。

因此，從氣候系統(tǒng)模式發(fā)展的角度來(lái)看，我們需要在提高模式分辨率的同時(shí)，更需要關(guān)注相關(guān)海-氣-冰相互作用及其物理過(guò)程優(yōu)化方案的改進(jìn)。

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