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“智汇极地”学术沙龙第22期


北极海冰快速变化的分析与预测:基于高分辨率海洋-海冰耦合后报与预报模式

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发布时间:2020-07-19 13:47:13
浏览:417 次

 核心提示:

       在全球变暖的气候背景下,北极正经历着快速变化,其中海冰减少尤为显著,这不仅会对海洋环流和水文状况产生巨大影响,也会通过改变大气环流和气候,直接影响人类的社会实践活动。本报告介绍了高分辨率海洋-海冰耦合模式,对北极海冰的密集度、覆盖范围、漂移速度以及厚度的历史时空变化进行了比较和分析,并以北极地形最为复杂、观测最为困难的区域之一加拿大北极群岛为例,对西北航道冰情进行了深入细致的分析,并探索了大气与海洋对西北航道冰情的影响。此外,本报告还介绍了利用预报模式预测北极海冰短期和长期变化所做的工作,并对2019年海冰的预报结果精确度进行了对比验证。
人物介绍:
       张瑜,男,2016年获美国麻省大学博士学位,同年就职于上海海洋大学,从事物理海洋学科研与教学工作,硕士生导师,主要研究方向为海洋环流动力、海冰变化及其机制、海冰—海洋—大气相互作用。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、上海市青年教师培养计划、上海海洋大学极地海洋学创新平台等项目,并参与多项国家重大科学研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等,发表论文20余篇,其中SCI论文14篇。曾获国际海冰预测研究奖、美国麻省大学优秀学术研究及社会服务奖,上海市属高校优秀新教师、上海海洋大学育才奖等荣誉。
报告详情:
       2020年7月7日晚7点,南极中心“智汇极地”第22期学术沙龙于腾讯会议成功举办,2016级博士生刘玥主持本场学术活动。本期嘉宾来自上海海洋大学海洋科学学院张瑜老师,为大家带来精彩分享,基于高分辨率的海洋-海冰耦合模式,系统介绍了北极海冰快速变化的分析与预测,令参加学术沙龙的同学受益匪浅。
张瑜老师的报告分为三个部分,分别是北极研究的目的与意义、北极海洋-海冰耦合模式发展、北极海洋海冰耦合模式应用。
 
图1 报告封面
       近几十年来,随着全球变暖,北极表面温度加速上升,升幅为全球平均气温上升的2倍,导致了北极海冰加速融化,2012年9月北极海冰达到历史上最小值。北极快速变暖会导致大气与海洋缺少了海冰隔离而直接发生相互作用,必将影响全球海洋环流与气候变化、中纬度极端天气、北极生态系统与碳循环。但有利的方面在于空间资源(航道、旅游、基础设施等)的扩展和实体资源(油气、矿产等)的开发越来越容易。此外,中国也逐渐意识到北极重要的战略地位,也可以从中国的北极科考历史发现中国对北极态度的转变。张瑜老师对极地海冰研究手段的优缺点进行了总结,如图2所示,包括四种手段:实地观测、卫星遥感、数值模拟、理论研究,受研究手段限制,现阶段我国北极海洋研究以海冰为主,海冰相对不足,数值模式由于其在时空分辨率上有很高的自由度,是气候变化预测的重要手段。
 
图2 北极海冰的研究手段
 
       针对以上北极海洋研究的重要地位和缺陷,张瑜老师系统全面地介绍了北极海洋海冰模式FVCOM。FVCOM,即Finite-Volume Community Ocean Model,是由美国麻省大学开发的模式,采用了有限体积的差分方式,具有完全非线性的特征,采用的网格是无结构的三角网,使用并行计算方法。图3展示了FVCOM目前所集群的模块,经过多年的发展,FVCOM已经不仅仅是物理海洋模式,新增了多种数据同化方法、波浪模式、干湿网格、泥沙模块、生物模块和水质模块,以及本次报告中的海冰模块(CICE)。为解决开边界的问题,张瑜老师指出将区域FVCOM嵌套进入全球FVCOM,避免直接提供边界条件。在驱动参数上,选用风应力、海表面大气压、海表面热通量、蒸发、降水、潮汐、河流等等,以及同化资料,如图4所示。在建立好模式之后,张瑜老师分别从海冰密集度、海冰覆盖范围、海冰飘移速度、海冰厚度四个角度进行了模式验证,如图5(a)-(d)所示。在海冰密集度中,对比观测和模拟结果,可以发现FVCOM很好的捕捉到了海冰密集度的特征。在海冰飘移速度模拟研究中,风应力对海冰飘移速度有很大的影响,张瑜老师推荐了他们使用的参数选用方案。在海冰厚度验证中,张瑜老师选用了四类海冰数据进行了观测数据和模拟数据的对比,发现都有很好的符合。另外,利用四类海冰厚度数据,对6种海冰模式进行了观测误差、季节相关性的对比,分别是ECCO2、GSFC、INMOM、ORCA、NAME、UW,如图6所示,结果显示,FVCOM在对于海冰的主要特征上都可以有很好的验证。
 
图3 FVCOM包含的各个模块
 
图4 北极海洋-海冰耦合模式架构与驱动
 
 

图5(a)

图5(b)

 

图5(c)

 

图5(d)

 图5 模式验证

 
图6 六种海冰模式与FVCOM模拟结果的对比
 
       完成模式验证后,张瑜老师介绍了海洋海冰在后报预报方面的应用。第一个应用场景是西北航道冰情,根据覆盖区域选用Cryosat-2和CS2SMOS海冰厚度数据,如图7显示,在海冰厚度最大值上,模式结果与Cryosat-2相似,在海冰厚度最小值上,模式结果与CS2SMOS相似。图8分别显示了西北航道1-12月多年海冰平均厚度分布和西北航道年际和季节性海冰厚度变化趋势,结果显示西北航道的大部分区域都处在海冰减小的趋势。第二个应用是研究表面气温(SAT)和海表面温度(SST)对海冰厚度的影响,图9显示的是SAT、SST与海冰厚度相关性的分布图,可以看出SAT和SST对海冰厚度发挥作用主要在夏秋季节。秋季海冰密集度和厚度残余量会对冬季海冰厚度产生决定的影响。而秋季海冰厚度受到SAT和SST的影响,所以SAT和SST间接上影响到冬季海冰。第三个应用是北极海冰预报系统,如图10所示,与后报使用的驱动力不同,预报采取的驱动是NCEP-Global Forecast System(GFS),并且尽量选用实时河流数据,且同样将北极海冰预报嵌入到全球FVCOM。此外,北极海冰预报系统最重要的特点是没有数据同化,实现极大的自动化。张瑜老师介绍了AOMIP(2001-2011)计划和FAMOS(2012-2018)计划,自己提交的预报结果也获得了2017国际北极海冰变化预测研究奖。继而将模式应用到2019年北极海冰预报,从误差角度来看,都达到很好的效果。
 
 
图7 FVCOM模式与两种观测数据对比
 
图8 西北航道多年模拟结果
 
图9 表面气温和还表面温度对海冰厚度的影响研究
 
图10 北极海冰预告系统(AO-FVCOM-Forecast)
 
       最后,张瑜老师对本次报告分享进行了总结。高分辨率北极海洋-海冰耦合模式可以有效地捕捉北极海冰的分布和运动特征,在观测数据不足或者缺乏的地区,后报模式可以为海冰的年际变化和季节性变化以及观测机制研究提供数据和技术支撑,预报模式在未来北极短期和中长期的预测和研究中扮演至关重要的作用。
       报告结束后,多位老师与张瑜老师进行了深入交流,张瑜老师对各位老师的疑惑进行了详细解答,与会的老师和同学都收获满满。
 
       (编辑:丁锐   审核:郝卫峰)
 

 

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