適應(yīng)極地快速變化海冰模式的研發(fā)與挑戰(zhàn)

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(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200136;③ 中國科學(xué)院 大氣物理研究所 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;④ 清華大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)系,北京 100084;⑤ 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023;⑥ 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100;⑦ 大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;⑧ 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;⑨ 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;⑩ 中山大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,廣東 珠海 519082; 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海),廣東 珠海 519080

*聯(lián)系人，E-mail:jliu26@albany.edu

極地海冰是地球氣候系統(tǒng)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(qū)海洋對太陽輻射的吸收,使極地成為全球氣候系統(tǒng)的冷源;海冰的存在,阻礙了海洋與大氣的直接聯(lián)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(jié)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(qiáng)度(如:北大西洋深層水和南極底層水),進(jìn)而影響海洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(圖1)。極地海冰通過其特有的熱力和動力學(xué)過程及其反饋機(jī)制,在區(qū)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(tǒng)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(qū)別主要在于海冰的物理特性差異(如:熱力學(xué)規(guī)律、流體特性),其模擬準(zhǔn)確性直接影響著地球(氣候)系統(tǒng)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(nèi)質(zhì)量、能量及相平衡等關(guān)鍵物理過程研究、短期和季節(jié)海冰預(yù)測、以及長期氣候變化預(yù)估中得到了廣泛的應(yīng)用。海冰包含著極其豐富而復(fù)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(jié)晶結(jié)構(gòu)、鹵水和氣泡微結(jié)構(gòu)、冰上積雪顆粒結(jié)構(gòu)和海冰析鹽通道,到數(shù)十厘米至數(shù)十千米級的不規(guī)則冰塊(浮冰尺寸分布),再到上千公里級的海冰環(huán)流及其伴隨的淡水輸運(yùn)。海冰的生長、融化、運(yùn)動和形變是緊密相連的。海冰復(fù)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(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。盡管在過去的幾十年里,大氣-海冰-海洋的復(fù)雜相互作用和冰內(nèi)物理過程的表征在海冰模式中取得了重大的進(jìn)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(fā)生了顯著的變化,特別是海冰,這使得海冰模式的一些關(guān)鍵物理參數(shù)化方案不能適應(yīng)和準(zhǔn)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(nèi)質(zhì)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(fā)展歷程和現(xiàn)狀,闡述了極地海冰快速變化給海冰模式帶來的挑戰(zhàn),并討論了適應(yīng)極地快速變化海冰模式的改進(jìn)和發(fā)展研究方向。

1 海冰模式發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

盡管科學(xué)家已經(jīng)對海冰對極地和全球氣候影響的基本情況進(jìn)行了半個多世紀(jì)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(fā)展一直相對滯后。海冰模式發(fā)展始于20世紀(jì)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(jì)50年代末國際地球物理年(International Geophysical Year)獲取的有史以來最大規(guī)模的極地觀測數(shù)據(jù),Untersteiner(1964)開發(fā)了一個簡單的一維海冰熱傳導(dǎo)、生長與融化模型。在此基礎(chǔ)上,Maykut and Untersteiner(1971)考慮了冰上積雪、冰鹽度(鹵水)效應(yīng)、短波輻射穿透冰層的能量變化、冰密度、熱傳導(dǎo)率、比熱和冰溫的垂直變化等,建立了更為復(fù)雜的一維熱力學(xué)模型。Semtner(1976)簡化了海冰熱力學(xué)模型的冰雪內(nèi)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(yùn)動速度的數(shù)學(xué)求解方法,及影響海冰運(yùn)動的風(fēng)應(yīng)力、海流應(yīng)力、海表高度梯度力、科氏力和冰內(nèi)應(yīng)力參數(shù)化的選擇。在影響海冰運(yùn)動的五種力中,冰內(nèi)應(yīng)力存在最大時空變化特性,是海冰動力學(xué)模擬的難點(diǎn),尤其是在海冰密集的區(qū)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(dǎo)致海冰運(yùn)動和形變的模擬欠佳。20世紀(jì)70年代的北極海冰動力學(xué)聯(lián)合試驗(yàn)(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(chuàng)造性地采用粘-塑性(VP)流變本構(gòu)模型來模擬海冰小尺度形變和內(nèi)部應(yīng)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(jié)冰到厚的冰脊。Thorndike et al.(1975)基于北冰洋中心海域浮冰站的數(shù)據(jù),發(fā)展了一個海冰厚度分布函數(shù),用來描述由于凍結(jié)、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(chǎn)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(xué)耦合的方法。

20世紀(jì)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(jìn)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(yīng))和厚度均勻的靜止或自由漂移介質(zhì)(沒有考慮海冰內(nèi)部應(yīng)力)。這主要是由于當(dāng)時的認(rèn)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?zhàn)饔盟鶝Q定;2)氣候模式研發(fā)人員認(rèn)為已有的海冰熱力和動力模型過于復(fù)雜,且計算要求較高;3)極地海冰物理過程的觀測嚴(yán)重不足,特別是缺乏氣候模式網(wǎng)格尺度上的觀測(數(shù)百公里)。因此,大尺度氣候模式中的極地氣候模擬主要根據(jù)海冰反照率的變化而改變。在此期間,氣候模式研發(fā)人員的需求與小尺度海冰物理過程研究和模擬人員的關(guān)注重點(diǎn)存在顯著的脫節(jié)。氣候模式研發(fā)人員更關(guān)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(jīng)驗(yàn)方法來進(jìn)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(yīng)是否可以在大尺度上被有效地參數(shù)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(dāng)時沒有系統(tǒng)地將較高分辨率的較為詳細(xì)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(jì)90年代,在海冰動力學(xué)方面,Flato and Hibler(1992)簡化了粘-塑性本構(gòu)模型,將海冰當(dāng)成空化流體進(jìn)行模擬;Hunke and Dukowicz(1997)發(fā)展了一個彈-粘-塑性(EVP)流變學(xué)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(jìn),使其計算更有效并且可并行化。隨后,氣候模式研發(fā)人員才采用這些計算效率高的流變學(xué)方案來改善對海冰形變和輸運(yùn)的模擬。在海冰熱力學(xué)方面,Ebert and Curry(1993)發(fā)展了物理過程更為完備的一維海冰熱力學(xué)模式,包括依賴不同表面狀態(tài)(顯式的融池)的反照率、設(shè)置最小水道面積及其對太陽輻射的吸收、海冰側(cè)向積聚和消融等,并指出氣候模式必須能夠適當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)海冰各種反饋過程;Bitz and Lipscomb(1999)進(jìn)一步考慮了海冰鹽度(鹵水)效應(yīng)對冰焓的影響,并發(fā)展了相應(yīng)的能量守恒熱力學(xué)模式。

與此同時,國際聯(lián)合極地科學(xué)考察的實(shí)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(xué)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(shù)據(jù)(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(fā)起到了重要的推動作用。借助于這些數(shù)據(jù),海冰模式中的許多熱力和動力參數(shù)化過程都得到了改善。

在海冰熱力學(xué)方面,Taylor(2004)建立了一個雙流輻射模型,并根據(jù)海冰、融水和重新凍結(jié)融池三層光學(xué)性質(zhì)來計算反照率。Briegleb and Light(2007)構(gòu)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(shù)據(jù),該模型確定了雪、海冰和融池的固有光學(xué)特性(如:消光系數(shù)、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(jù)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(dāng)表面能量平衡為負(fù)值時,融池會重新凍結(jié)。Vancoppenolle(2005)發(fā)展了一個一維模型來模擬北極海冰從一年冰向多年冰轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為冰的過程進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計。

在海冰動力學(xué)方面,基于粘-塑性(VP)流變學(xué)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(jìn)行了改進(jìn),并發(fā)展出了新的海冰動力學(xué)模型,包括:拉格朗日離散元方法(Hopkins,2004;Hopkins and Thorndike,2006),光滑質(zhì)點(diǎn)流體動力學(xué)(Lindsay and Stern,2004),彈性-非粘性連續(xù)流變學(xué)(Sulsky et al.,2007)和彈-塑性漸進(jìn)破壞流變學(xué)(Girard et al.,2010)。隨著網(wǎng)格分辨率的提高,各向異性的流變學(xué)也逐漸得到發(fā)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(shí)際模擬過程中可跟蹤的冰厚類型有限,Hibler(1980)和Lipscomb(2001)發(fā)展了厚度范圍模型(即Bin模型),并進(jìn)一步采用Bin內(nèi)分段線性模型來緩解Bin模型的數(shù)值不穩(wěn)定性。

與此同時,美國和歐洲的研究機(jī)構(gòu)充分認(rèn)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(xiàn)實(shí)際的極區(qū)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(fā)。目前,國際上主流的獨(dú)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(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代中期開始研發(fā)(Hunke and Lipscomb,2010;Roberts et al.,2018)。該模式是一個動力-熱力學(xué)海冰模式。通過廣泛的海冰模式研發(fā)國際協(xié)作,CICE模式不斷得到改進(jìn)、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(xué)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(yùn)動和形變;運(yùn)輸模型用于計算海冰密集度、體積和其他狀態(tài)變量的平流過程;熱力學(xué)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(dǎo)致的冰雪變化,以及由于輻射、湍流和傳導(dǎo)等通量引起的垂直溫度分布變化(其中有兩個參數(shù)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(shù)化選擇來計算融池);次網(wǎng)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(fā)的海冰模式,包括基于粘-塑性流變學(xué)的動力學(xué)、三層熱力學(xué)、二階守恒矩平流方案和其他海冰物理參數(shù)化。隨后,LIM被改寫形成LIM2(采用Fortran90),并被整合進(jìn)了海洋模式NEMO中(Timmermann et al.,2005)。21世紀(jì)初,LIM2得到了改進(jìn),最新版本的LIM3.6能更好地描述次網(wǎng)格尺度的物理過程,包括:冰厚分布、鹵水動力學(xué)及其對熱學(xué)性質(zhì)的影響、改良的彈性-粘塑性(EVP)流變學(xué)方案(Bouillon et al.,2013)。LIM3.6在熱力參數(shù)化和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)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(shí)驗(yàn)室發(fā)展的一個動力-熱力學(xué)海冰模式(Winton,2000),最新的版本是SIS2(Adcroft et al.,2019)。SIS2中的熱力學(xué)模型與CICE4.1相似(采用類似Semtner的三層熱力學(xué)模型),動力模型采用Bouillon et al.(2013)發(fā)展的彈-粘-塑性流變學(xué)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(shù)化和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)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(tǒng)模式海冰分量模式的來源。CMIP6是CMIP計劃實(shí)施20多年來參與模式數(shù)量最多的一次。其中,大多數(shù)地球(氣候)系統(tǒng)模式使用的是不同版本的CICE海冰模式。

與國內(nèi)大氣、海洋和陸面模式研發(fā)相比,我國在海冰模式研發(fā)方面起步較晚。20世紀(jì)90年代,國家海洋環(huán)境預(yù)報中心在國外海冰流變學(xué)和熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了適用于渤海冰情的海冰動力-熱力學(xué)模式,實(shí)現(xiàn)了渤海海冰數(shù)值業(yè)務(wù)化預(yù)報。近年來,國家海洋環(huán)境預(yù)報中心引進(jìn)了美國麻省理工學(xué)院的MITgcm海冰-海洋耦合模式,開展了極地海冰預(yù)報業(yè)務(wù)(楊清華等,2011)。20世紀(jì)90年代后期,中國科學(xué)院大氣物理研究所在國內(nèi)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(jié)變化特征(張學(xué)洪和俞永強(qiáng),1997;劉欽政等,2000;劉喜迎等,2003)。然而,我國的地球(氣候)系統(tǒng)模式一直以來都直接使用國外發(fā)展的海冰模式,包括美國的CICE和SIS(見表1)。21世紀(jì)初,中國科學(xué)院大氣物理研究所針對CICE4海冰模式,改進(jìn)和發(fā)展了更為合理的海冰熱力學(xué)參數(shù)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(jìn)的CICE4海冰模式應(yīng)用于中國科學(xué)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(xué)的氣候系統(tǒng)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(jìn)的氣候系統(tǒng)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(tǒng)模式的海冰分量模式大都采用的是十年前開發(fā)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(wèi)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(fā)的人員匱乏,尚未形成具有競爭力的研究隊(duì)伍,模式發(fā)展缺乏系統(tǒng)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(zhàn)

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(fù)趨勢出現(xiàn)在9月。自20世紀(jì)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(wèi)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(jì)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(biāo)和衛(wèi)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(biāo)和漂移冰站數(shù)據(jù)顯示,盡管風(fēng)強(qiáng)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(jì)70年代末有衛(wèi)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(tǒng)模式的海冰分量模式

圖2 衛(wèi)星觀測的(粗黑線)以及參與CMIP6的中國9個地球(氣候)系統(tǒng)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(xiàn)出很大的區(qū)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(fù)雜,科學(xué)家提出了各種機(jī)制去解釋,包括:大氣環(huán)流/風(fēng)的變化、淡水輸入、主要?dú)夂蚰B(tài)的變化(如:南極濤動)、平流層臭氧損耗、水文循環(huán)、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(xiàn)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(qiáng)了秋冬季海洋向大氣的熱量和水汽輸送,促進(jìn)了北極放大效應(yīng) (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(dǎo),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(jìn)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(kuò)散過程(Beer et al.,2020)、海冰生長析鹽過程引發(fā)的海洋垂向?qū)α骰旌?Polyakov et al.,2013;Timmermans,2015),以及地形支配的向上混合(Sirevaag and Fer,2009)等機(jī)制都可以增強(qiáng)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(fā)生冰底融化現(xiàn)象(Jackson et al.,2012)。北極風(fēng)暴事件增多,積雪在海冰熱力學(xué)增長中的作用以及雪冰或積雪疊加冰對海冰物質(zhì)平衡的貢獻(xiàn)都有可能增強(qiáng) (Merkouriadi et al.,2020)。而到春末夏初,積雪和雪冰層的融化則會導(dǎo)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(jī)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(jié)過程中釋放大量熱量,一方面促進(jìn)底層大氣增暖,另一方面會延緩海冰凍結(jié)生長(Hunke et al.,2013)。北極海冰的減少及變薄,使其季節(jié)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(xué)強(qiáng)度降低導(dǎo)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(nèi)部,產(chǎn)生了像冰內(nèi)鹵水一樣的熱庫效應(yīng),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(fā)的大氣-海冰-海洋相互作用的主要新特征。但由于現(xiàn)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(guān)鍵過程的參數(shù)化刻畫,制約了海冰模式的發(fā)展,也是目前海冰模式熱力學(xué)研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)。

極地海冰的變薄導(dǎo)致海冰更容易被外力(風(fēng)和洋流)驅(qū)動。首先,溫帶氣旋進(jìn)入北冰洋冰區(qū)后引發(fā)的風(fēng)暴事件,會造成海冰破碎。例如:2012年是有衛(wèi)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(qiáng)大氣旋是導(dǎo)致該年出現(xiàn)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(qiáng)風(fēng)導(dǎo)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(qiáng),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(fēng)力驅(qū)動產(chǎn)生海浪并傳播。在海冰邊緣區(qū)(從無冰海域到密集海冰覆蓋區(qū)域的過渡區(qū)域),海浪與海冰進(jìn)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(dǎo)致海冰側(cè)向融化增強(qiáng)(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(qū)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(xué)研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在最先進(jìn)的氣候模式中,混雜的浮冰被視為一個連續(xù)統(tǒng)一的介質(zhì),因此,通常以次網(wǎng)格的海冰厚度分布來描述海冰;針對海冰運(yùn)動,考慮的也是其連續(xù)性,而非單個浮冰的運(yùn)動。計算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)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(wǎng)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(qū)域預(yù)報應(yīng)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(rèn)為是連續(xù)體,海冰模式需要采用基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的海冰動力學(xué)理論(Coon et al.,2007;Feltham,2008)。離散元模型(DEM)自發(fā)展以來一直被用于對顆粒狀、不連續(xù)材料的建模,包括浮冰(Hopkins,2004;Hopkins and Thorndike,2006)。就其本質(zhì)而言,DEM非常適合對海冰的建模,特別是在由許多單獨(dú)的浮冰組成的冰緣區(qū)。盡管DEM在模擬中小尺度海冰模型上得到了較多應(yīng)用,近年來也逐漸出現(xiàn)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(tǒng)模式中對海冰進(jìn)行建模。其原因是相對于連續(xù)海冰模型而言,DEM方法的準(zhǔn)確性依賴于對單個浮冰單元運(yùn)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(jìn)行數(shù)年乃至數(shù)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(xiàn),DEM計算成本逐漸降低,實(shí)際上可能更適合未來的高性能計算架構(gòu)。

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(guān)注,并對許多利益攸關(guān)方提出了挑戰(zhàn),包括:北極航道航行安全,氣候變化研究,自然資源開發(fā)和可持續(xù)發(fā)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(fā)適應(yīng)極地快速變化的海冰模式,以提高北極海冰的模擬和預(yù)測能力,支撐北極利用的應(yīng)用需求。

3 適應(yīng)極地快速變化海冰模式發(fā)展方向

不管是全球氣候變化研究和預(yù)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(fā)生巨大的變化,這極大地增加了海冰模式物理參數(shù)化方案和模擬結(jié)果的不確定性。盡管新一代的地球系統(tǒng)模式在極地海冰氣候態(tài)的模擬上有了很大進(jìn)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(xiàn)無冰狀態(tài)時間的預(yù)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(shù)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(fā)適應(yīng)極地快速變化的海冰模式。

3.1 海冰多尺度變化的熱力學(xué)過程參數(shù)化研究

北極海冰已由以多年冰為主向以一年冰(季節(jié)冰)為主轉(zhuǎn)變,這使得大氣-海冰-海洋間能量的分配發(fā)生了顯著變化。更多的季節(jié)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(nèi)部和底部融化加劇。這些變化直接影響著海冰熱力學(xué)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(zhì)量平衡中起著至關(guān)重要的作用,進(jìn)而影響到海冰下的生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)過程(Assmy et al.,2017)。但現(xiàn)有海冰模式的熱力學(xué)參數(shù)化沒能充分地考慮這些變化,不能準(zhǔn)確模擬其對海冰物質(zhì)平衡的影響。

為了準(zhǔn)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(nèi)部的關(guān)鍵熱力學(xué)過程,必須結(jié)合最新的變量齊備的觀測數(shù)據(jù),如:MOSAiC氣候多學(xué)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(nèi)部、底部和側(cè)向的關(guān)鍵熱力過程,及其對海冰生長、消融、能量和物質(zhì)平衡的影響,從而更加全面地了解這些過程及其相互聯(lián)系,進(jìn)而重點(diǎn)改進(jìn)和發(fā)展以下適用于海冰多尺度變化的熱力學(xué)參數(shù)化方案。

1)表面過程:海冰融池-反照率參數(shù)化,雪冰或疊加冰形成過程參數(shù)化。

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

3)側(cè)面過程:海冰尺度分布和側(cè)向融化參數(shù)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(shù)化。

3.2 海冰非連續(xù)分布特征的動力學(xué)參數(shù)化研究

近年來計算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)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(yīng)用連續(xù)性假設(shè),需要能夠體現(xiàn)浮冰尺寸的海冰動力學(xué)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(xiàn)有的海冰模式無法準(zhǔn)確描述這些重要的動力過程,不能準(zhǔn)確模擬其對海冰物質(zhì)平衡的影響。

為了精確描述高分辨率下的海冰非連續(xù)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(xù)分布、流變、運(yùn)動、厚度/尺度分布特性、以及與海浪相互作用的動力學(xué)過程,及其對海冰物質(zhì)平衡的影響進(jìn)行深入研究,從而獲得對這些過程及其之間聯(lián)系更全面的認(rèn)識,進(jìn)而重點(diǎn)改進(jìn)和發(fā)展以下適用于高分辨率海冰模式的動力學(xué)參數(shù)化方案及數(shù)值方法:

1)建立適用于海冰動力破碎的離散元數(shù)值方法,拓展現(xiàn)有的海冰流變學(xué)本構(gòu)模型;

2)發(fā)展海冰拉格朗日動態(tài)追蹤方案,分析拉格朗日點(diǎn)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(jié)等特性;建立基于統(tǒng)計模型與解析形式概率密度函數(shù)的海冰厚度/尺度分布參數(shù)化方案;

4)研究海冰在波浪作用下的受力特性及破碎現(xiàn)象,波浪在不同冰區(qū)傳播的彌散關(guān)系,海冰-海浪的非線性相互作用,發(fā)展海冰-波浪耦合作用的離散元數(shù)值方法和粘彈性流變學(xué)模型。

3.3 高分辨率海冰模式在地球系統(tǒng)模式中的應(yīng)用

海冰模式是預(yù)測極地乃至全球氣候和環(huán)境變化的關(guān)鍵。目前大多數(shù)地球系統(tǒng)模式可以較好地模擬極地海冰的氣候平均態(tài),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(tǒng)模式與國外先進(jìn)的模式相比尚存在一定的差距,需要耦合適應(yīng)于極地海冰多尺度變化的海冰模式。

為了系統(tǒng)評估研發(fā)的海冰模式以及耦合到我國地球系統(tǒng)模式后對極地海冰的模擬能力,有必要發(fā)展海冰模式的伴隨模式,開展敏感性數(shù)值試驗(yàn),在目標(biāo)函數(shù)極小化過程中研究海冰模擬誤差的演變和主要來源,進(jìn)而優(yōu)化研發(fā)的海冰熱力和動力參數(shù)化中的重要參數(shù)。同時,研究計算誤差隨海冰模式運(yùn)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(yōu)化后的海冰模式到地球系統(tǒng)模式中,分別在單獨(dú)運(yùn)行和耦合到地球系統(tǒng)模式中運(yùn)行兩種狀態(tài)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(dǎo)致模擬結(jié)果與觀測不同的可能原因。在此基礎(chǔ)上,對未來北極和南極海冰變化以及氣候變化進(jìn)行集合預(yù)測,特別是北極夏季出現(xiàn)無海冰狀態(tài)的時間,并確定其不確定性。預(yù)測北極航道區(qū)域海冰的變化趨勢,支撐北極航道利用的中長期規(guī)劃。

3.4 支持海冰模式參數(shù)化研發(fā)和評估的觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)

由于氣候條件惡劣,北極和南極是地球系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)最為稀少的區(qū)域之一?，F(xiàn)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(shù)化設(shè)計的現(xiàn)場觀測的短缺大大限制了海冰模式的研發(fā)。面向海冰表面、內(nèi)部、側(cè)向和底部的關(guān)鍵熱力過程,海冰流變特性和輸運(yùn),海冰-海浪相互作用參數(shù)化的研發(fā),以及海冰模式模擬性能評估的科學(xué)需求,需要不同尺度且變量齊備的觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

為了更好地針對海冰熱力和動力過程參數(shù)化進(jìn)行研發(fā)設(shè)計,有必要集成我國多年極地航次的現(xiàn)場觀測、國際極地航次共享數(shù)據(jù),以及衛(wèi)星遙感產(chǎn)品等多源數(shù)據(jù),建立用于檢驗(yàn)海冰模式熱力和動力過程模擬的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)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(nèi)部、底部和側(cè)向熱力過程參數(shù)化需求,設(shè)計相關(guān)觀測實(shí)驗(yàn),獲得不同代表觀測點(diǎn)(如平整冰、冰脊冰和融池重新凍結(jié)冰等)的海冰能量和物質(zhì)平衡觀測數(shù)據(jù),并結(jié)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(shù)。針對海冰流變特性、輸運(yùn)以及海冰-海浪相互作用參數(shù)化需求,設(shè)計相關(guān)觀測實(shí)驗(yàn),獲取多尺度海冰漂流陣列觀測數(shù)據(jù)、海浪在冰區(qū)衰減過程的觀測數(shù)據(jù),分析海冰運(yùn)動和形變的時空尺度特征以及海冰-海浪相互作用機(jī)制,并結(jié)合高分辨率和高精度衛(wèi)星遙感產(chǎn)品,研究海冰形變的局地效應(yīng)及其與冰間水道,冰脊等的關(guān)系。利用現(xiàn)場觀測系統(tǒng)驗(yàn)證采用不同傳感器和反演算法得到的主要海冰參量的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品,構(gòu)建基于現(xiàn)場觀測和能覆蓋整個北冰洋和南大洋的衛(wèi)星遙感海冰重要參量的數(shù)據(jù)集,建立評估海冰模擬的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

4 總結(jié)

極地海冰是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分。海冰基本的熱力學(xué)數(shù)學(xué)描述已經(jīng)有五十多年的歷史,海冰流變學(xué)數(shù)學(xué)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(tǒng)模式中得以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。目前的海冰模式能夠很好地反映和體現(xiàn)海冰相關(guān)的很多物理過程,其熱力和動力學(xué)模型捕獲了氣候系統(tǒng)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(jìn)現(xiàn)有的海冰模式而言既是挑戰(zhàn)也是驅(qū)動力。為了提高對大氣-海冰-海洋的復(fù)雜相互作用以及冰內(nèi)質(zhì)量、能量及相平衡物理過程的理解,有必要采用更復(fù)雜的物理模型,從而實(shí)現(xiàn)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(yù)測能力。因此,海冰模式的研發(fā)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(kuò)展到“地球系統(tǒng)”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(shù)化以更好地估計太陽輻射的反射、吸收和穿透以及冰內(nèi)的溫度分布。改善流變學(xué)的各種各向異性描述以更精確地表示運(yùn)動學(xué)特征和冰變形。隨著氣候模式繼續(xù)推動計算能力的極限,數(shù)值算法的改進(jìn)在海冰模式研發(fā)過程中起著至關(guān)重要的作用。應(yīng)用多年連續(xù)海冰模式已逐漸接近其有效性的假定極限,亟待開發(fā)DEM的潛力。通過研發(fā)海冰模式的新參數(shù)化和新算法,可保證在地球(氣候)系統(tǒng)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(wù)氣候變化研究應(yīng)對以及北極業(yè)務(wù)應(yīng)用等重大需求。