研究进展
我实验室揭示CMIP6和CMIP5气候模式对南极海冰模拟的差异
来源:聂亚飞
2023.12.06
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不同于北极海冰的持续减少,南极海冰范围从1979年到2015年经历了先缓慢增长后突变减少的变化,并在2017、2022和2023年连续创出历史新低。受限于当前最先进的气候模式,如参加国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)和第六阶段(CMIP6)的多数模式,仍存在不同程度的模拟偏差,南极海冰变化背后的原因尚未得到充分解释。尽管已有部分CMIP5气候模式模拟出了较为合理的气候态海冰面积,但这被证明是由海冰动力学(输运、造脊、成筏等)和热力学(冻结、融化)过程偏差互相抵消所导致的“正确”结果。相比CMIP5,CMIP6在海冰范围模拟方面有所改进、模式间分歧更小,然而尚不能确定这是否意味着CMIP6中的海冰动力学和热力学过程更加合理。




鉴于此,我实验室科研人员首先优选了CMIP5和CMIP6中能够合理模拟南极海冰范围的气候模式,然后基于一种综合性统计指标(DISO)评估了这些模式在1991-2009年的南极海冰密集度收支情况。结果表明CMIP6相比于CMIP5有了显著而稳健的改进(图1),其中德国阿尔弗雷德-韦格纳研究所(AWI)开发的AWI-CM-1-1-MR模式具有最接近观测的海冰动力学和热力学过程。研究进一步评估了同时参加CMIP6 Historical实验、OMIP1实验和OMIP2实验的4个模式。结果显示,与气-冰-海全耦合模式相比,用大气再分析驱动的冰-海耦合模式可很大程度上减少海冰范围的模拟偏差,但相比于观测存在过度的海冰辐合。进一步分析表明,模式中普遍存在的海冰辐散不足与对冰厚的低估高度相关(图2),可能存在“海冰北向输运不足-海冰辐合过度-海冰总体积(厚度)增长受限-北向输运不足”的反馈机制。该发现强调了在下一代气候模式中提高南极海冰厚度模拟精度的重要性。

图1. 参加CMIP5、CMIP6、OMIP1和OMIP2的模式与观测之间的海冰密集度收支差异。

图2. 辐散作用对海冰总变化的贡献占比与海冰总体积的关系。

研究成果于2023年11月30日被国际著名期刊Geophysical Research Letters录用发表,题目为“Differences Between the CMIP5 and CMIP6 Antarctic Sea Ice Concentration Budgets”。南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)前沿研究中心博士后聂亚飞为文章第一作者,实验室极地海洋与气候变化创新团队核心成员、中山大学大气科学学院杨清华教授为通讯作者,合作者包括实验室主任陈大可院士,实验室极地海洋与气候变化创新团队首席科学家、中山大学大气科学学院刘骥平教授,南京信息工程大学海洋科学学院林霞博士,以及芬兰赫尔辛基大学Petteri Uotila教授。




该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和南方海洋实验室创新团队建设科研经费等的支持。




原文链接:https://doi.org/10.1029/2023GL105265

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