劉 娜 梁 曦 李 明 田忠翔 趙 福 孫啟振 李寶輝

（國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100081）

0 引言

在全球變暖的大背景下，北極地區(qū)的近表層大氣升溫明顯，其升溫速率是全球變暖平均速率的2 倍，與之相伴的是北極海冰面積和體積的快速減少，尤其是夏季9 月份，北極海冰總量的減少更為顯著。有衛(wèi)星觀測記錄以來，南極海冰范圍在2014 年之前呈略微增大的趨勢，2014 至2016 年間快速減少，2022 年出現(xiàn)歷史極低值情況。極地地區(qū)海冰覆蓋范圍的變化對極地生物群落、中低緯氣候系統(tǒng)以及全球水循環(huán)均產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。極地是全球變化最顯著的地區(qū)，其科學(xué)研究價(jià)值、經(jīng)濟(jì)附加利益和地緣政治影響日益凸顯。因此，近些年來極地研究受到國際社會(huì)越來越多的關(guān)注，在極地地區(qū)觀監(jiān)測能力建設(shè)和預(yù)報(bào)預(yù)測技術(shù)研發(fā)等方面的國際協(xié)作活動(dòng)也日益增多。最具代表性的是極地預(yù)報(bào)計(jì)劃（polar prediction project,PPP）和北極多學(xué)科漂流觀測研究（multidisciplinary drifting observatory for the study of Arctic climate,MOSAiC），其目的就是加強(qiáng)國際極地觀測預(yù)報(bào)體系建設(shè)，加深對極地大氣-海冰-海洋物理過程的理解，改進(jìn)極地?cái)?shù)值模擬和資料同化水平，提高從小時(shí)到季節(jié)時(shí)間尺度的極地地區(qū)預(yù)報(bào)、預(yù)測能力。

環(huán)北極國家因?yàn)榈乩韮?yōu)勢，在北極海冰研究方面耕耘已久，其觀測歷史較長、觀測手段豐富且技術(shù)先進(jìn)，獲取的數(shù)據(jù)較多，能夠通過相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)布海冰預(yù)報(bào)產(chǎn)品。西半球近北極國家（如德國、法國）依托其相對完善的科技體系，對北極地區(qū)大多具備一定的觀監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力。南極大陸遠(yuǎn)離人類主要聚集區(qū)，國際社會(huì)對南極海冰的預(yù)報(bào)需求相對較少，近年來隨著南極科考和旅游活動(dòng)的頻繁開展，南極海冰預(yù)報(bào)的潛在價(jià)值逐漸顯現(xiàn)，有些國家已經(jīng)嘗試開展業(yè)務(wù)化南極海冰預(yù)報(bào)服務(wù)。

由于區(qū)域海洋氣象條件差異的存在，加之海洋、海冰和冰架的相互作用，使得極地海冰變化更加復(fù)雜。我國自1984 年首次南極科學(xué)考察開始，迄今已進(jìn)行了38 次南極科學(xué)考察。從2016 年開始北極科學(xué)考察進(jìn)入常態(tài)化，之后每年進(jìn)行1 次北極科學(xué)考察，極地科考項(xiàng)目的順利進(jìn)行需要更準(zhǔn)確的極地海冰數(shù)值預(yù)報(bào)保障。隨著“冰上絲綢之路”戰(zhàn)略的實(shí)施和北極航道適航性逐漸提高，越來越多的商船駛?cè)肓吮北?。截?021 年底，中遠(yuǎn)海運(yùn)特運(yùn)已成功開展46 艘船只56 個(gè)航次的東北航道商業(yè)航行，初步實(shí)現(xiàn)北極東北航道的常態(tài)化運(yùn)營。商船航行安全對極地海冰數(shù)值預(yù)報(bào)的需求也進(jìn)一步提升。

為滿足極地活動(dòng)對極地海冰預(yù)報(bào)、預(yù)測越來越高的要求，近年來我國也加強(qiáng)了對極地環(huán)境觀監(jiān)測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)同化研究，研發(fā)了適用于極區(qū)的冰-海耦合以及氣-冰-海耦合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，開展了兩極海冰精細(xì)化短期預(yù)報(bào)和中長期預(yù)測，并加強(qiáng)極地海冰預(yù)報(bào)產(chǎn)品與極地科學(xué)考察和商業(yè)航運(yùn)需求的銜接。本文簡要介紹國內(nèi)外極地海冰業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并展望未來發(fā)展的難點(diǎn)與問題。

1 國外極地海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)

目前，國際上許多國家都開展了極地海冰預(yù)報(bào)工作，環(huán)北極和歐洲一些國家的極地預(yù)報(bào)信息相對全面。早期業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)中心曾經(jīng)使用單純的海冰模型[1]開展海冰業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)，這些模型能基于海冰熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程反映基本的海冰物理過程，預(yù)報(bào)海冰的生長、融化和漂移，如CICE 模型[2]、Louvain-la-Neuve 海冰模型[3]和海冰模擬器[4]等。隨著超級計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力得到大幅提升，使得具備模擬極區(qū)界面間多尺度耦合過程能力的大氣-海冰-海洋耦合模型配置成為可能，業(yè)務(wù)化中心也越來越多地建立全球或區(qū)域大氣-海冰-海洋耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，能夠在多種時(shí)間尺度上對極地海冰進(jìn)行預(yù)報(bào)，但這些預(yù)報(bào)系統(tǒng)大多同化。

將海冰模式作為其預(yù)報(bào)系統(tǒng)必要組成部分的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)中心如下頁表1 所示[5]。這些模型的海冰分辨率正在向更細(xì)的尺度發(fā)展，全球模型能達(dá)到1/12°，區(qū)域模型的分辨率甚至更高。法國的GLOHR/CMEMS 系統(tǒng)具有較高水平分辨率，在南極沿岸海域可達(dá)2 km；美國的ACNFS 系統(tǒng)在北極點(diǎn)附近的水平分辨率可達(dá)3.5 km。這2 個(gè)系統(tǒng)能夠較好地模擬極區(qū)中尺度渦旋、渦絲等海洋中尺度過程，具備多尺度海洋動(dòng)力學(xué)解析能力。業(yè)務(wù)化中心的數(shù)據(jù)同化代碼通常比物理模型更復(fù)雜，并與物理模型結(jié)合在一起，海冰和海洋表層參數(shù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)以及海洋上層溫鹽特性潛浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)是常見的同化要素。

表1所列的海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)有各自的數(shù)據(jù)同化方案，其數(shù)據(jù)同化方案多數(shù)是基于變分同化或者濾波同化方法。隨著數(shù)據(jù)同化方案的復(fù)雜程度增加，同化的觀測資料數(shù)量和種類也更加豐富。四維變分同化技術(shù)和集合濾波同化技術(shù)具備多時(shí)間、多要素觀測資料同化能力，被認(rèn)為是有效提高海冰預(yù)報(bào)預(yù)測水平的潛在方法。下文舉例介紹幾個(gè)國外海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其主要參數(shù)配置。

表1 包括海冰模式的業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

1.1 美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室北極冰蓋現(xiàn)報(bào)/ 預(yù)報(bào)系統(tǒng)

北極冰蓋現(xiàn)報(bào)/預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Arctic capnowcast/forecast system,ACNFS）由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（naval research laboratory,NRL）開發(fā)，由洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室海冰模式（community ice code,CICE）、邁阿密大學(xué)混合坐標(biāo)海洋模式（HYbrid coordinate ocean model，HYCOM），以及美國海軍耦合海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（navy coupled ocean data assimilation system，NCODA）所組成。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換模塊基于地球系統(tǒng)模式框架（earth system modeling framework,ESMF），系統(tǒng)水平分辨率隨著地理緯度變化，極點(diǎn)附近區(qū)域水平分辨率為3.5 km，南邊界40°N 附近水平分辨率為 7 km。海冰模式CICE 改進(jìn)了海冰熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)化方案和基于能量的造脊過程，并具有多類冰厚的預(yù)報(bào)能力。海洋模式HYCOM 使用三角網(wǎng)格，在海洋內(nèi)區(qū)采用等密度面坐標(biāo)，在沿岸區(qū)域采用地形跟隨坐標(biāo)，在上混合層采用z 坐標(biāo)，并加入了氣候態(tài)徑流月數(shù)據(jù)以及潮汐數(shù)據(jù)。同化系統(tǒng)NCODA使用三維變分方法同化了衛(wèi)星觀測高度計(jì)數(shù)據(jù)、海冰密集度、海表面溫度數(shù)據(jù)，以及來自投棄式溫度剖面測量系統(tǒng)（expendable bathy thermograph，XBT）、溫鹽深儀（conductivity,temperature,and depth，CTD）、自沉浮式剖面探測（Argo）浮標(biāo)、錨定浮標(biāo)等現(xiàn)場觀測設(shè)備實(shí)時(shí)獲取并傳輸?shù)暮Ｑ蟠瓜驕佧}數(shù)據(jù)。

ACNFS 系統(tǒng)使用美國海軍業(yè)務(wù)化全球大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（navy operational global atmospheric prediction system,NOGAPS）提供的0.5°大氣強(qiáng)迫場和1/12°全球HYCOM 模式提供的海洋開邊界條件驅(qū)動(dòng)，ACNFS 系統(tǒng)各組成模式間傳遞的變量關(guān)系如圖1 所示[6]。該系統(tǒng)在海軍海洋辦公室（naval oceanographic office,NAVOCEANO）業(yè)務(wù)化運(yùn)行，每天產(chǎn)生當(dāng)天現(xiàn)報(bào)和未來5 d 的預(yù)報(bào)，產(chǎn)品包括海冰密度、厚度、漂移路徑、海流以及三維溫鹽數(shù)據(jù)。2017 年9 月起，ACNFS 被采用相同模式配置的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)GOFS 3.1取代。

圖1 ACNFS 系統(tǒng)各組成模式間傳遞的變量

1.2 挪威南森環(huán)境與遙感中心/挪威氣象 預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TOPAZ4 是一個(gè)覆蓋北大西洋及北冰洋的區(qū)域性海洋/海冰實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，由挪威南森環(huán)境與遙感中心開發(fā)，其海洋模式選用混合坐標(biāo)海洋模式HYCOM，海冰模式選用Hibler 79 類型的兩類冰熱力學(xué)及彈-黏-塑流變學(xué)模式。系統(tǒng)大氣強(qiáng)迫場來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European centre for medium-range weather forecasts,ECMWF）發(fā)布的實(shí)時(shí)高分辨率（0.5°）大氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用集合卡曼濾波同化方法同化了海平面高度異常、海表面溫度、海冰密集度和海冰漂移等準(zhǔn)實(shí)時(shí)衛(wèi)星資料以及海洋垂向溫鹽廓線潛標(biāo)觀測等信息。

TOPAZ4 模式區(qū)域參見圖2。

圖2 TOPAZ4 模式區(qū)域

TOPAZ4 系統(tǒng)在挪威氣象局每周業(yè)務(wù)化運(yùn)行1次，可提供實(shí)效達(dá)10 d 的北極海冰預(yù)報(bào)信息，包括海冰密集度、海冰厚度和海冰漂移速度等產(chǎn)品。上頁圖2 中區(qū)域5 所示為北極預(yù)報(bào)海域[7]，在該海域產(chǎn)品水平分辨率可達(dá)12.5 km。

TOPAZ4 是歐洲哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)（the Copernicus marine environment monitoring service,CMEMS）北極海冰-海洋預(yù)報(bào)信息的官方提供者，已被歐洲多個(gè)研究機(jī)構(gòu)用作大西洋及北冰洋海洋/ 海冰狀況的數(shù)值預(yù)報(bào)參考。其產(chǎn)品有助于用戶了解北極大西洋一側(cè)海域（特別是喀拉海、巴倫支海以及挪威北部沿海重要港口區(qū)域）的海冰發(fā)展情況，為在挪威附近海域航行的船只提供海冰預(yù)報(bào)參考。

1.3 法國墨卡托海洋中心全球海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2016 年10 月19 日起，在歐洲哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)（CMEMS）框架下，法國墨卡托海洋中心發(fā)布了新的全球（1/12）°高分辨率實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)GLO-HR。該系統(tǒng)內(nèi)核版本名為PSY4V3，是CMEMS V4 階段的核心模型之一。墨卡托海洋中心全球分析和預(yù)測系統(tǒng)過去各個(gè)里程碑的時(shí)間軸如 圖3 所示[8]。該系統(tǒng)采用NEMO v3.1 海洋模型，其物理配置基于三極ORCA12 網(wǎng)格，赤道區(qū)域水平分辨率為9 km，在南極沿岸區(qū)域水平分辨率可達(dá) 2 km，垂直方向采用z坐標(biāo)，垂向分層 50 層。動(dòng)量平流項(xiàng)采用Arakawa 和Lamb 提出的能量和熵守恒方案計(jì)算，示蹤劑的平流項(xiàng)用總方差遞減（TVD）平流方案計(jì)算。海洋模式的大氣場強(qiáng)迫取自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（integrated forecast system,IFS）預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，動(dòng)量和熱湍流表面通量由Large 和Yeager 體公式計(jì)算，向下的長波和短波輻射通量和降雨通量也被用于地表熱量和淡水收支。

圖3 墨卡托海洋全球分析和預(yù)測系統(tǒng)過去各個(gè)里程碑的時(shí)間軸

PSY4V3 系統(tǒng)采用單變量單數(shù)據(jù)同化方案同化了OSISAF 在2 個(gè)半球的海冰密集度。與之前的系統(tǒng)相比，PSY4V3 系統(tǒng)海冰模擬有明顯的改善，更接近觀測結(jié)果，能真實(shí)再現(xiàn)海冰的季節(jié)循環(huán)。數(shù)據(jù)同化方案SAM 使用Lellouche 等人描述的增量分析更新（incremental analysis update,IAU）方法在模式中對海冰進(jìn)行校正，考慮到海冰厚度恒定，海冰體積會(huì)根據(jù)這一修正進(jìn)行調(diào)整。目前該系統(tǒng)沒有同化任何海冰厚度觀測數(shù)據(jù)，因?yàn)樾l(wèi)星監(jiān)測海冰體積存在較多不確定性，故難以可靠評估模擬的海冰體積。

1.4 加拿大氣象和環(huán)境預(yù)測中心全球海冰 預(yù)報(bào)系統(tǒng)

加拿大氣象中心業(yè)務(wù)化運(yùn)行的全球海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)（global ice ocean prediction system,GIOPS）由加拿大環(huán)境部、漁業(yè)與海洋部、國防部等多組織成立的加拿大環(huán)境耦合預(yù)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與法國業(yè)務(wù)海洋學(xué)機(jī)構(gòu)（墨卡托海洋中心）合作開發(fā)，自2011 年起業(yè)務(wù)化運(yùn)行，系統(tǒng)水平分辨率0.25°，提供未來10 d 的海冰、海洋要素預(yù)報(bào)。

最新版本的GIOPS 由基于歐洲海洋模擬內(nèi)核NEMO v3.1 的海洋模式與美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室海冰模式（CICE）組成，采用全球確定性預(yù)測系統(tǒng)(GDPS)的最底層大氣預(yù)報(bào)場驅(qū)動(dòng)。GIOPS 每日發(fā)布全球0.25°海冰分析和未來10 d 的日平均和3 h 平均的海表面要素產(chǎn)品。其海冰密集度7 d預(yù)報(bào)產(chǎn)品的均方根誤差如圖4 所示[9]。

圖4 海冰密集度7 d 預(yù)報(bào)的均方根誤差空間分布

GIOPS 的海冰模塊采用CICE 4.0 模式，其海冰動(dòng)力學(xué)通過使用彈-黏-塑性方法顯式求解二維海冰動(dòng)量方程來計(jì)算速度場，海冰熱力學(xué)通過求解熱擴(kuò)散方程計(jì)算雪和冰的生長/融化速率以及垂直方向的溫度分布。海冰模塊上邊界與大氣交換凈熱通量，下邊界與海洋交換熱通量，側(cè)向融化取決于浮冰的平均直徑。其模式亞網(wǎng)格采用10 種類型冰厚分布處理算法。預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用多變量海洋資料同化分系統(tǒng)（SAM2）準(zhǔn)實(shí)時(shí)同化了衛(wèi)星觀測海表面高度異常、海表面溫度以及潛浮標(biāo)觀測的海洋垂向溫鹽剖線數(shù)據(jù)，采用三維變分同化算法準(zhǔn)實(shí)時(shí)同化了衛(wèi)星觀測海冰密集度數(shù)據(jù)。

1.5 丹麥氣象研究所北極和北大西洋海冰 預(yù)報(bào)系統(tǒng)

丹麥HYCOM-CICE 海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)是美國ACNFS系統(tǒng)的簡化版本，由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）開發(fā)。該版本水平分辨率10 km，模式區(qū)域覆蓋北冰洋和大西洋至約20° S 處。海冰模式CICE 配置4 層海冰熱力學(xué)層和1 層雪層。海洋模式HYCOM 設(shè)有40 個(gè)垂直層，引入了潮汐模塊，通過修改輸入輻射方案糾正了大氣強(qiáng)迫和模型之間的冰蓋不一致性。

該模型1997 年初始化，模式區(qū)域在巴倫支海峽和南大西洋設(shè)有2 個(gè)海洋開邊界，邊界上沒有規(guī)定體積運(yùn)輸[10]。其采用8 組分的潮汐強(qiáng)迫場、丹麥氣象局高分辨率有限區(qū)域模式（high resolution limited area model,Hirlam）的短期大氣強(qiáng)迫場、ECMWF的中期大氣強(qiáng)迫場以及Levitus 氣候態(tài)的邊界條件驅(qū)動(dòng)。該模型使用10 d 間隔松弛逼近方案同化了衛(wèi)星觀測海冰密集度數(shù)據(jù)，使用30 d 間隔松弛逼近方案同化了衛(wèi)星觀測海表面溫度數(shù)據(jù)和氣候態(tài)海洋鹽度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)每天輸出2 次66 h 的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品，包括海冰密集度、海表面高度、有效波高、波周期以及三維的海洋溫鹽流場等要素。圖5 顯示了 HYCOM-CICE 模擬的2004 年至2013年平均海冰天數(shù)。

圖5 HYCOM-CICE 模擬的2004 年至2013 年平均海冰天數(shù)

2 我國極地海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)

國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心于2009 年引進(jìn)通用環(huán)流模式MITgcm，采用海冰-海洋雙向耦合，選取泛北極為模式區(qū)域建立了北極冰海耦合數(shù)值模型并開展模型評估實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該模型能合理地模擬北極海冰的季節(jié)和年際變化[11]，證實(shí)了該模式具有較好的北極海冰數(shù)值模擬能力，可作為開展北極海冰短期預(yù)報(bào)研究的數(shù)值基礎(chǔ)。2010 年春季初步搭建起第1 代北極海冰數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)選取美國國家環(huán)境預(yù)測中心NCEP 的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)GFS 大氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為模型強(qiáng)迫場。自2010 年第4 次北極科學(xué)考察開始，該系統(tǒng)開始為中國北極科學(xué)考察隊(duì)提供北極海冰數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。2012 年，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采用松弛逼近方法同化衛(wèi)星反演海冰密集度數(shù)據(jù)的初始化優(yōu)化技術(shù)[12]，經(jīng)過海冰密集度衛(wèi)星數(shù)據(jù)的校正，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)對海冰密集度的預(yù)報(bào)效果有了進(jìn)一步的提高。

從2015 年開始，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心與德國阿爾弗雷德魏格納極地與海洋研究所建立了長效合作機(jī)制，雙方共同研發(fā)極地環(huán)境多參數(shù)數(shù)據(jù)同化技術(shù)。雙方基于集合卡曼濾波算法開展了海冰密集度數(shù)據(jù)同化、海冰厚度數(shù)據(jù)同化、海表面溫度數(shù)據(jù)同化和集合大氣強(qiáng)迫擾動(dòng)等一系列同化算法研 究[13-18]，在此基礎(chǔ)上建立了新一代的北極海冰短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)ArcIOPS[19-20]，并于2017 年投入業(yè)務(wù)化應(yīng)用。系統(tǒng)每天自動(dòng)運(yùn)行，提供未來7 d 北極海冰和海洋狀態(tài)預(yù)報(bào)，如圖6所示。

圖6 北極海冰短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)（ArcIOPS）架構(gòu)圖

ArcIOPS 系統(tǒng)目前有2 個(gè)版本，低分辨率版本水平分辨率為18 km，高分辨率版本水平分辨率為4.5 km。受制于計(jì)算資源限制，目前業(yè)務(wù)化運(yùn)行的為低分辨率系統(tǒng)。ArcIOPS 系統(tǒng)海冰模塊基于Hibler 79 零層冰/雪熱力學(xué)模型、黏-塑性流變學(xué)模型構(gòu)建，目前已實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測海冰密集度、海冰厚度以及無冰區(qū)海表面溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同化。經(jīng)過中國第8 至12 次北極科學(xué)考察中的實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，系統(tǒng)能有效融合北極海冰密集度、海冰厚度和海表面溫度等衛(wèi)星觀測信息，對海冰密集度、海冰厚度和海冰漂移等變量的7 d 預(yù)報(bào)能力有相應(yīng)的保證。ArcIOPS 系統(tǒng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品每天發(fā)布在中國海洋預(yù)報(bào)網(wǎng)冰上絲綢之路平臺，如下頁圖7 所示（https://www.oceanguide.org.cn/IceIndexHome/DensityIce）。

圖7 2022 年6 月27 日00 時(shí)起報(bào)未來24 小時(shí)北極海冰厚度分布

與北極不同，南極大陸被廣闊的南大洋所包圍，地處大氣-海洋-海冰強(qiáng)耦合區(qū)，南極海冰變化受風(fēng)場、海洋流場等動(dòng)力學(xué)要素影響較大，海洋開邊界條件在較長時(shí)間尺度上制約著南極海冰的預(yù)報(bào)能力，利用區(qū)域模式準(zhǔn)確模擬南極海冰存在巨大挑戰(zhàn)。此外，在南極大陸近岸地區(qū)，海冰的變化還受局地復(fù)雜地形、下降風(fēng)以及冰架等其他因素的影響，海冰的模擬應(yīng)盡可能多地包含多圈層關(guān)鍵物理過程，技術(shù)難度高。

國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心憑借多年來在北極海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)方面的研究基礎(chǔ)和技術(shù)積累，于2020 年正式啟動(dòng)南極海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)，2021 年中順利完成了預(yù)報(bào)系統(tǒng)模型搭建、參數(shù)調(diào)試、同化模塊的構(gòu)建以及預(yù)報(bào)結(jié)果的檢驗(yàn)等工作。新建設(shè)的南極海冰短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)SOIPS 基于MITgcm 模式和PDAF 并行數(shù)據(jù)同化框架建立，環(huán)南極各主要冰架的下界面作為熱力學(xué)邊界條件也參與海洋模式計(jì)算。系統(tǒng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品水平分辨率為18 km，時(shí)效7 d，產(chǎn)品包括環(huán)南極海冰密集度、海冰厚度、海冰漂移及海冰輻合率等要素。

SOIPS 系統(tǒng)采用12 個(gè)集合單元的集合卡曼濾波方法同化了每日AMSR2 海冰密集度觀測產(chǎn)品，如下頁圖8 所示，針對南極近岸復(fù)雜的地形特點(diǎn)，發(fā)展了一種可以根據(jù)海冰密集度觀測數(shù)據(jù)數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整局地化半徑的同化方案。該方案有效地提升了同化模型在近岸低海冰密集度海域（如戴維斯海、普里茲灣和宇航員海）的海冰同化性能。SOIPS 系統(tǒng)在2021 年底試運(yùn)行，為中國第38 次南極科學(xué)考察提供全南極海冰預(yù)報(bào)服務(wù)。

圖8 南極海冰短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)SOIPS 預(yù)報(bào)的海冰密集度與觀測對比圖

由于南極海冰多為一年冰，海冰的生消受表層海溫變化影響很大，而衛(wèi)星反演海表面溫度觀測資料已比較成熟，下一步將在SOIPS 系統(tǒng)中引入海表面溫度觀測資料同化，通過訂正海洋上層海溫的模擬偏差進(jìn)而提高南極海冰的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。未來，隨著海冰厚度、冰上積雪厚度等更多衛(wèi)星觀測要素產(chǎn)品的發(fā)展成熟，SOIPS 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)海冰-海洋多觀測要素的協(xié)同同化，預(yù)報(bào)水平也將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

3 結(jié)語

目前我國的極地大氣模式和極地海冰-海洋模式是分別獨(dú)立運(yùn)行的，然而極地氣-冰-海界面的通量交換（熱通量、輻射通量、動(dòng)量通量等）將三者緊密地聯(lián)系起來，對其相互作用過程的描述是各個(gè)分量模式目前所欠缺的。同時(shí)，對于北極航道復(fù)雜環(huán)境中的航行保障，要求數(shù)值模式提供高分辨率、種類豐富的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對不同冰區(qū)和不同航段能夠提供有區(qū)分性、有針對性的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。此外，由于極地表層冰雪環(huán)境的特殊性，適用于中低緯度地區(qū)較為成熟的天氣海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式不能直接用于極地地區(qū)，需要在物理過程參數(shù)化方案、模式網(wǎng)格設(shè)計(jì)等方面作進(jìn)一步改進(jìn)，使模式能夠適用于極地地區(qū)。目前，極地天氣、海冰海洋的預(yù)報(bào)時(shí)效一般為1～2 周。未來隨著極地科考和航運(yùn)保障需求的不斷增長，對預(yù)報(bào)時(shí)效也提出了更高要求，需要數(shù)值模式能夠提供更長時(shí)間的預(yù)測產(chǎn)品。

我國北極海冰短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)ArcIOPS 使用集合卡曼濾波同化技術(shù)，盡可能地融合多源觀測數(shù)據(jù)，提升數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)初始場質(zhì)量，改進(jìn)海冰短期預(yù)報(bào)效果，在國際上處于先進(jìn)水平。而由于計(jì)算能力的限制，ArcIOPS 高分辨率版本尚未投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，目前的業(yè)務(wù)化版本不具備分辨海洋中尺度過程的能力。此外，盡管我國極地環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)取得了較大進(jìn)步，但業(yè)務(wù)化極地大氣模式和極地海冰-海洋模式是分別獨(dú)立運(yùn)行的，導(dǎo)致海冰數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)缺失氣-冰-海界面部分耦合過程，海冰預(yù)報(bào)產(chǎn)品仍存在系統(tǒng)性的模擬偏差。解決這個(gè)問題的一個(gè)關(guān)鍵是改進(jìn)耦合界面關(guān)鍵物理過程參數(shù)化方案，建立極區(qū)氣-冰-海全耦合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。研發(fā)極地天氣和海冰-海洋預(yù)報(bào)模式及對應(yīng)的資料同化技術(shù)和模式耦合技術(shù)，將會(huì)是一個(gè)長期的過程，需由專業(yè)團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作并進(jìn)行大量基礎(chǔ)研究，更需要穩(wěn)定的政策和經(jīng)費(fèi)支持。基于以上問題，未來將從以下方向發(fā)展極地海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)：

（1）發(fā)展更具包容性的海冰數(shù)值模式。海冰的變化非常復(fù)雜，盡管可能存在技術(shù)性難度，但仍應(yīng)盡量將海冰物理過程的眾多參數(shù)法方案選項(xiàng)集中納入同一個(gè)模型框架下，模型框架的包容性有利于更好地理解相同物理過程的替代機(jī)制。

（2）發(fā)展數(shù)據(jù)同化技術(shù)和集合預(yù)報(bào)技術(shù)。使用先進(jìn)的同化技術(shù)（如集合卡曼濾波或四維變分同化等技術(shù)），盡可能地融合多源觀測數(shù)據(jù)，使模式初始場更接近真實(shí)場，是改進(jìn)極地海冰短期預(yù)報(bào)效果的一個(gè)重要方向。

（3）發(fā)展分量模式的耦合技術(shù)。綜合考慮極地氣-冰-海的相互作用多尺度物理過程，研究極地氣-冰-海模式全耦合及界面參數(shù)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)極區(qū)全耦合數(shù)值模式氣-冰-海界面關(guān)鍵物理過程的完整性，進(jìn)而從整體上提升極地海冰預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。