复旦大学与美国加州大学科学家关于北极海冰气相互作用的国际合作研究成果被美国国家海洋和大气管理局选为“研究亮点”
发布时间: 2021-03-15


在过去的40年里,北极地区经历了剧烈的变暖,其增温幅度是全球平均的两倍,夏季海冰急剧消退,对全球极端天气气候和可持续发展造成了显著的影响。近年来的研究表明,海冰的年际和年代际变化与夏季大气增暖增湿以及大气环流变化之间的耦合密切相关。那么,气候模式能在多大程度上表征出夏季大气-海冰的耦合关系对海冰的影响呢?

复旦大学大气与海洋科学系罗蕊博士、吴志伟教授和美国加州大学Qinghua Ding教授合作研究中,对30CMIP515CMIP6气候模式模拟冰-气耦合关系的能力进行排名,揭示出即使是排名靠前的模型也低估了海冰对大气强迫的敏感性。对于模型模拟的局限性,作者提供了几种可能的分析与解释。该结论为不断改进北极气候预测模式提供了有效的依据,对季节内尺度的北极海冰预测具有重要的参考意义

近日,该成果大气科学国际顶级学术期刊Climate Dynamics》上以 “Summertime atmosphere-sea ice coupling in the Arctic simulated by CMIP5/6 models: Importance of large-scale circulation”为题发表,成果发表后立刻受到国际同行的关注,美国国家海洋大气管理局(NOAA将其选为研究亮点“Research Highlight2021119NOAA气候项目办公室(CPO)新闻页进行推介(如下图所示)

具体而言,该成果研究了年际时间尺度上夏季北极地区冰-气相互作用在观测和模式中的表现,利用不同再分析资料确定了海冰与温度和湿度之间的统计关系,并以此为评估标准,30CMIP5模式和15CMIP6模式进行了评估,结果表明大多数CMIP5\6模式都存在一定的局限性。CMIP5模式为例,即使较好的模式也不能完全模拟出观测中冰-气相互作用的耦合强度(图1)。对强耦合(图1蓝色柱)和弱耦合(图1橙色柱)模式进行对比,发现模式的局限性主要来源于温度、湿度和向下放射长波辐射对大尺度环流敏感程度的差异。

1  -气相互作用评估标准在5套再分析资料(红色柱状,1979-2018,去趋势)和30CMIP5模式中的排名。在模式中,柱状图表示计算采用的是工业革命前控制实验输出资料(picontrol),由于不同模式时间长度不同,给出一倍标准差(虚线)来反映其波动情况;星号表示计算采用的是CO2强迫下的实验输出资料(historical1979-2005RCP8.52006-2018;去趋势)。评估标准的具体计算方法见文章。


在强耦合模式中,9月份北极海冰的减少对应着前期夏季北极地区从低层到高层的气压增强、温度升高、湿度增加(图2abc),因此大气放射出更多的向下长波辐射(图3c),导致海冰更易融化;在弱耦合模式中,尽管冰-气相互作用的空间结构与强耦合模式相似,但耦合的强度明显减弱(图2def;图3d,这种耦合强度的差异可能与局地云的模拟有关。因此,在未来的工作中,增强模式北极大尺度环流对不同大气变量以及地表辐射平衡作用的模拟能力,将会极大提高对海冰模拟的准确性,为北极和全球气候预测提供更可靠的模式基础。

2  CMIP5强耦合(图1蓝色柱)和弱耦合(图1橙色柱)模式9月份北极海冰面积(SIA)指数与前期夏季纬向平均位势高度(Z)、温度(T)和比湿(Q)相关系数的分布(计算采用picontrol资料)。

3  9月份北极海冰面积(SIA)指数与前期夏季向下长波辐射(DLR)在ERA5 1979-2018,去趋势)、30CMIP5模式平均、强耦合模式和弱耦合模式中的相关系数分布(模式计算采用picontrol资料)。


该研究成果得益于复旦大学吴志伟教授和加州大学圣芭芭拉分校Qinghua Ding教授两个团队之间的紧密合作,并得到了中国国家自然科学基金重大项目“北极海--气系统对冬季欧亚大陆极端天气、气候事件的影响及机理”(41790475)和美国NOAA“气候模拟分析与预测项目”(MAPP)的共同资助复旦大学大气与海洋科学系2017级博士生罗蕊为论文的第一作者,加州大学Qinghua Ding教授复旦大学吴志伟教授为论文的共同通讯作者。


文章链接:

https://doi.org/10.1007/s00382-020-05543-5

OAA CPO新闻链接:

https://cpo.noaa.gov/News/News-Article/ArtMID/6226/ArticleID/2125/Ranking-the-Performance-of-Climate-Models-for-Summertime-Sea-Ice-Simulation