編者按：

1 9 8 4年，中國第一支南極考察隊出發(fā)，踏上了前往南極的征途，探索未知與未來，開啟了中國極地科考事業(yè)。極地是天然的“實驗室”，蘊含著豐富的生物資源，自然資源，也是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分。極地地區(qū)的冰芯鉆探、冰川監(jiān)測和氣象觀測等科學活動，為我們提供了重要的數(shù)據(jù)和信息，幫助我們更好地認識極地。四十年來，極地科考事業(yè)從“抵達”到“研究”，從單一學科到多學科綜合研究，為氣象學、氣候?qū)W、環(huán)境學、地質(zhì)學、天體物理學、海洋學等學科提供了新的研究契機和科學支持。

南極洲被海洋包圍，北冰洋本身就是海洋。極地科考對開展海洋學研究的意義不言而喻。陸地冰川和海洋的互動會對全球氣候造成長期影響，極地洋流在全球碳循環(huán)中也扮演著重要角色。極地科考事業(yè)的持續(xù)進步，對于極地洋流、極地海冰等海洋學領(lǐng)域的重要研究課題而言，是不可或缺的推動力量，為其提供了重要的數(shù)據(jù)支撐和深入探索的機遇。

值此我國極地科考事業(yè)4 0周年之際，《海洋開發(fā)與管理》特別推出“極地研究”專欄，圍繞極地研究遴選3篇學術(shù)論文，以期為認識極地、保護極地、利用極地貢獻智慧和力量。

摘要：文章基于C I C E海冰模式和P D A F并行數(shù)據(jù)同化框架，使用局地誤差子空間變換卡爾曼濾波方法（ L E S T K F） ，將海冰密集度、海冰厚度和海冰干舷資料同化到模式中，設(shè)計實驗研究了多參數(shù)同化對北極海冰密集度模擬的改進。結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)同化對北極海冰密集度模擬具有良好的改善作用，同化實驗的平均偏差、均方根誤差和平均絕對誤差相對于控制實驗均有明顯減小，同化實驗在夏季對海冰密集度和范圍的模擬改善最為明顯，多參數(shù)同化可以提高海冰密集度和范圍模擬的精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：北極海冰；數(shù)據(jù)同化； C I C E； P D A F；海冰密集度；海冰范圍

中圖分類號： P 7； P 7 2 7 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 4） 0 6-0 0 0 3-1 2

基金項目：哈爾濱工程大學青年科學家培育基金項目（ 7 9 0 0 0 0 1 2/0 0 6） ；山東省泰山學者工程（ 2 0 2 3）.

I m p r o v e m e n t o fA r c t i cS e aI c eM u l t i - P a r a m e t e rA s s i m i l a t i o n o nS e aI c eC o n c e n t r a t i o nS i m u l a t i o n

Z HANGS i h a n1， 2，Z HAOJ i e c h e n1， 2， 3，Z OU W e n f e n g4，WUJ i e5， WAN GY i n g z h e n g4，CHE NZ i y i1， 2，Z HAOD i n g l o n g1， 2，MUF a n g r u1， 2

（ 1. Q i n g d a oI n n o v a t i o nD e v e l o p m e n tB a s eo fH a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y，Q i n g d a o2 6 6 0 0 0，C h i n a； 2. Q i n g d a oH a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t yI n n o v a t i o na n dD e v e l o p m e n tC e n t e r，Q i n g d a o2 6 6 0 0 0，C h i n a； 3. K e yL a b o r a t o r yo fP o l a rO c e a nA c o u s t i c sa n dT e c h n o l o g yA p p l i c a t i o n s，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n（H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y） ，H a r b i n1 5 0 0 0 1，C h i n a；4. C O S C OS h i p p i n g（ G u a n g z h o u）C o . ，L t d . ， G u a n g z h o u5 1 0 2 2 0，C h i n a；5. C O S C OS h i p p i n gS p e c i a l i z e dC a r r i e r sC o . ，L t d . ，G u a n g z h o u5 1 0 2 2 0，C h i n a）

A b s t r a c t：B a s e do nt h eC I C Es e a i c em o d e l a n d t h eP D A Fp a r a l l e l d a t aa s s i m i l a t i o n f r a m e w o r k， t h i sp a p e ru s e st h el o c a le r r o rs u b s p a c et r a n s f o r m K a l m a nf i l t e r m e t h o d（L E S T K F）t o a s s i m i l a t e t h es e a i c ec o n c e n t r a t i o n，s e a i c e t h i c k n e s sa n ds e a i c e f r e e b o a r dd a t a i n t o t h em o d e l， a n dd e s i g n s e x p e r i m e n t s t os t u d y t h e i m p r o v e m e n t o fm u l t i - p a r a m e t e r a s s i m i l a t i o no n t h e s i m u -l a t i o no fA r c t i cs e ai c ec o n c e n t r a t i o na n dr a n g e . T h er e s u l t ss h o wt h a td a t aa s s i m i l a t i o nh a sa g o o di m p r o v e m e n te f f e c to nt h es i m u l a t i o no fA r c t i cs e ai c ec o n c e n t r a t i o na n dr a n g e . T h e a v e r a g ed e v i a t i o n，r o o t m e a n s q u a r e e r r o ra n d m e a n a b s o l u t e e r r o r o ft h e a s s i m i l a t i o n e x p e r i m e n t a r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e dc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l e x p e r i m e n t . T h ea s s i m i l a t i o ne x -p e r i m e n t i m p r o v e s t h e s i m u l a t i o no f s e a i c e c o n c e n t r a t i o na n d r a n g em o s t o b v i o u s l y i ns u mm e r . M u l t i -p a r a m e t e r a s s i m i l a t i o nc a n i m p r o v e t h ep r e d i c t i o na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fA r c t i c s e a i c e c h a n g e .

K e y w o r d s：A r c t i c s e a i c e，D a t aa s s i m i l a t i o n，C I C E，P D A F，S e a i c e c o n c e n t r a t i o n，S e a i c e e x t e n t

0 引言

北極海冰是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，北極海冰的變化不僅會對北極地區(qū)的生態(tài)和氣候產(chǎn)生影響，對全球氣候變化也具有重要影響[ 1-2]。在全球變暖的背景下， 1 9 7 9—2 0 2 1年期間，北極地區(qū)變暖的速度幾乎是全球變暖速度的4倍[ 3]，這個現(xiàn)象被稱為“北極放大”效應(yīng)[ 4-5]。近年來，北極海冰的范圍呈明顯的逐年減少趨勢[ 6-7]。2 0 0 0—2 0 1 9年，北極多年冰快速減少，多年冰范圍降幅達4 0 .1 9 %[ 8]。北極海冰的消融為北極航道的開通提供了有利條件，據(jù)挪威高北物流中心（ C HN L）統(tǒng)計， 2 0 1 6—2 0 2 2年北極航道（ N o r t h e r nS e aR o u t e， N S R）的航次數(shù)由17 0 5次上升至29 9 4次，累計貨運量由7 4 7 .9萬t增至34 0 0萬t。北極航道的開通將縮短亞太、歐洲、北美三大貿(mào)易中心之間的航運距離，加強各國經(jīng)貿(mào)交流與合作，對世界貿(mào)易格局產(chǎn)生顯著影響[ 9]。

海冰模式作為研究北極海冰變化的重要工具之一，在過去幾十年內(nèi)經(jīng)歷了迅速的發(fā)展，但由于海冰模式涉及大量的參數(shù)以及復(fù)雜的物理過程，海冰模式目前仍存在著較大誤差[ 1 0]。隨著模式的運行，模式的誤差會不斷累積，直到最后導(dǎo)致模式的預(yù)測結(jié)果不可用[ 1 1]。而使模式變得可用的一個辦法就是數(shù)據(jù)同化，用模式的結(jié)果與觀測值進行校正[ 1 2]。常用的數(shù)據(jù)同化方法有最優(yōu)插值法、變分法、濾波法等。M u等基于局地誤差子空間變換卡爾曼濾波方法（ L E S T K F）同化海冰密集度、海冰厚度等資料開發(fā)了一個基于集合的北極海冰預(yù)報系統(tǒng)（ A r c I O P S） ，評估結(jié)果表明，同化海冰資料對預(yù)報系統(tǒng)有重要改進作用[ 1 3]。L i a n g等利用局地誤差子空間變換卡爾曼濾波方法（ L E S T K F） ，將衛(wèi)星反演的海冰密集度、海冰厚度和海表面溫度資料同化到北極海冰-海洋模式中，結(jié)果表明，同化能夠有效改善上層海洋溫度、海冰邊緣、海冰范圍以及邊緣海冰帶的海冰厚度的模擬效果[ 1 4]。Y a n g等研究了海冰厚度數(shù)據(jù)與海冰密集度數(shù)據(jù)同化對海冰-海洋耦合模式的影響，結(jié)果表明，同化海冰厚度數(shù)據(jù)可以改善海冰厚度和海冰密集度預(yù)報[ 1 5]。S h u等采用局地誤差子空間變換卡爾曼濾波（ L E S T K F）方法，將P I OMA S（ P a n - A r c t i cI c e O c e a n M o d e l i n g a n dA s s i m i l a t i o nS y s t e m）衛(wèi)星反演的海冰密集度和海冰厚度資料同化到海洋一所“地球系統(tǒng)模式（ F I O - E S M）”中，結(jié)果表明，海冰密集度同化有助于更好地模擬海冰密集度和海冰范圍[ 1 6]。趙杰臣等將多種國際常見的衛(wèi)星海冰密集度產(chǎn)品以及我國的HY-2衛(wèi)星密集度產(chǎn)品通過N u d g i n g資料同化方法，將其應(yīng)用于北極冰海預(yù)報系統(tǒng)（ A r c I O P S） ，并對其進行了同化試驗，結(jié)果顯示，我國HY- 2產(chǎn)品可以有效地改善預(yù)報系統(tǒng)對海冰密集度的模擬結(jié)果[ 1 7]。

C I C E（ L o sA l a m o sS e a I c eM o d e l）海冰模式是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室研發(fā)的包含完整熱力學和動力學過程的海冰模式，是應(yīng)用最廣泛的海冰模式之一[ 1 8-1 9]。Y a n g等利用C I C E海冰模式開發(fā)了一個針對北極的大氣-海冰-海洋耦合模式，其預(yù)報結(jié)果與觀測相比展示出了良好的預(yù)報能力[ 2 0]；張錄軍等在海冰模式C I C E和S I S基礎(chǔ)上，研發(fā)了新版本全球高分辨率海冰模式C I C E/S I S -N J U，該海冰模式整體性能達到國際先進水平[ 2 1]。

為了評估數(shù)據(jù)同化對C I C E海冰模式對北極海冰的模擬能力的改進，本文利用P D A F數(shù)據(jù)同化框架以及局地誤差子空間變換卡爾曼濾波方法對C I C E海冰模式進行數(shù)據(jù)同化，并評估C I C E海冰模式模擬的海冰密集度以及海冰范圍，根據(jù)模擬的結(jié)果分析2 0 2 3年北極東北航道的通航窗口。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測和強迫數(shù)據(jù)

1.1.1 海冰數(shù)據(jù)

本文使用的海冰密集度有兩種，一種是由不來梅大學提供的AM S R- 2海冰密集度數(shù)據(jù)集，作為模式的同化數(shù)據(jù)，其時間分辨率為1天，空間分辨率為6 .2 5k m，時間范圍為2 0 1 2年7月3日至今。該數(shù)據(jù)集由基于搭載在S h i z u k u衛(wèi)星上的AM S R- 2傳感器傳回的數(shù)據(jù)，通過A R T I S TS e a I c e（ A S I）海冰密集度算法計算得到[ 2 2]。另一種是由歐洲氣象衛(wèi)星中心（ E UM E T S A T）下屬的海洋和海冰衛(wèi)星遙感分部（ O S I S A F）提供，作為模式的驗證數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集的海冰密集度根據(jù)大氣校正的S S M I S亮溫計算得到，結(jié)合了最先進的算法組合。空間分辨率為1 0k m，時間分辨率為1天，時間序列為2 0 0 5年至今[ 2 3]。

本文使用的海冰厚度數(shù)據(jù)是由阿爾弗雷德·韋格納研究所（ A W I）提供的C S 2 S MO S數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是利用C r y o S a t - 2和S MO S冰厚產(chǎn)品通過最佳插值方案組合成的合并產(chǎn)品，其比單個數(shù)據(jù)集具有更好的空間和時間覆蓋范圍?？臻g分辨率為2 5k m，時間分辨率為1天，時間序列為2 0 1 0年1 0月2 1日至今，其中每年的4月1 0日至1 0月1 4日沒有數(shù)據(jù)[ 2 4]。

使用的干舷數(shù)據(jù)是由美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心（ N S I D C）提供的海冰干舷產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)集包含來自E S AC r y o S a t -2合成孔徑干涉雷達高度計（ S I R A L）的北極海冰厚度和密集度、冰干舷和表面粗糙度以及雪密度和深度的估計值?？臻g分辨率為2 5k m，時間分辨率為1天，時間序列為2 0 1 0年9月2 0日至今，其中每年的4月1 6日至9月1 4日沒有數(shù)據(jù)[ 2 5]。

1.1.2 大氣強迫場

本項目使用的大氣強迫數(shù)據(jù)是由日本氣象廳（ J MA）提供的J R A 5 5再分析數(shù)據(jù)集，包括1 0m風速、2m氣溫、比濕、總降水量、下表面長波輻射、下表面短波輻射等物理量。與其前身J R A-2 5相比， J R A-5 5基于新的數(shù)據(jù)同化和預(yù)測系統(tǒng)（ D A） ，擁有更高的空間分辨率（ T L 3 1 9 L 6 0）、新的輻射方案、衛(wèi)星輻射率變分偏差校正（ V a r B C）的四維變分數(shù)據(jù)同化（ 4 D-V a r）等。本文所使用數(shù)據(jù)的空間分辨率為1°，時間分辨率為6小時，數(shù)據(jù)集的時間范圍為1 9 5 7年1 2月3 1日至2 0 2 4年2月1日[ 2 6]。

1.1.3 海洋強迫場

本模式使用的海洋強迫數(shù)據(jù)是由N C A R提供的C S M海洋氣候態(tài)每月強迫數(shù)據(jù)。其源自C E S M 1大型集合p i C o n t r o l運行的結(jié)果，包含海表面溫度、海表面鹽度、邊界層深度、海面地形等物理量。其空間分辨率為1°，時間分辨率為1個月[ 2 7]。

1.2 方法

1.2.1 海冰模式

C I C E的動力學模式為E V P彈-黏-塑性動力學模式，熱力學模型包含B L 9 9和M u s h y - L a y e r糊狀層兩個熱力學模式，通常積雪設(shè)置為1層，海冰設(shè)置為7層，本文使用的C I C E版本為5 .2 .0[ 2 8]。在本文中，我們僅使用獨立的C I C E模式，不與大氣或海洋模式耦合，使用O R C A1°（大約4 0k m×4 0k m）三極網(wǎng)格，覆蓋整個北極地區(qū)，時間步長為1小時。

1.2.2 P D A F

本研究使用了一個集成數(shù)據(jù)同化的開源程序———并行數(shù)據(jù)同化框架（ P a r a l l e lD a t aA s s i m i l a t i o n F r a m e w o r k，P D A F）[ 2 9]。P D A F提供了標準化的接口，將數(shù)值模式從同化例程中分離出來，分為離線和在線兩種方式。本文采用在線模式，將P D A F接入C I C E中作為一個獨立的程序， P D A F提供了多種優(yōu)化的數(shù)據(jù)同化算法，本研究將采用局地誤差子空間變換卡爾曼濾波方法（ L E S T K F）來同化衛(wèi)星觀測或者再分析產(chǎn)品。C I C E海冰模式輸出的海冰密集度、海冰厚度等關(guān)鍵參數(shù)，然后引入P D A F同化框架，通過局地誤差子空間變換卡爾曼濾波方法減小模擬與觀測之間的差異。同化后的數(shù)據(jù)更加接近真實情況，作為海冰模式下一次模擬的初始場。通過循環(huán)進行模擬-同化-再模擬的過程，不斷優(yōu)化模式參數(shù)，提升海冰模擬的精度和可靠性。

1.3 實驗設(shè)計

使用2 0 2 3年1月1日的模型狀態(tài)初始化所有3 0個集合成員，然后以不同化的配置運行1年，將得到的結(jié)果作為新的初始集合成員，使用擾動的大氣強迫場生成初始集合離散度。同化實驗從2 0 2 3年1月1日開始，持續(xù)1年，實驗的配置如表1所示。在所有的實驗中，海冰密集度每天同化1次，海冰厚度在1—4月和1 0—1 2月每周同化1次，海冰干舷在1—4月和1 0—1 2月每個月同化1次，同化在每個月的1 5日進行。

1.4 評估指標

2 結(jié)果分析

2.1 海冰密集度評估

為了評估同化實驗的有效性，我們以O(shè) S I S A F提供的海冰密集度為“真值”，計算不同實驗月平均海冰密集度的均方根誤差（ RM S E）。圖1（ a）顯示了不同實驗2 0 2 3年的月平均海冰密集度和O S I S A F資料的月平均海冰密集度變化，月平均海冰密集度具有明顯的季節(jié)變化，夏季時平均海冰密集度最低，在冬季時平均海冰密集度最高?？刂茖嶒灨吖懒吮睒O海冰的密集度，在夏季時誤差最大，同化實驗對模擬的平均海冰密集度有明顯改進，夏季改進最顯著，在冬季和春季改進較小。不同同化實驗的區(qū)別主要在7月份， 7月份同化更多的參數(shù)對同化實驗有較大改進，在其他月份改進不明顯。從圖1（ b） 2 0 2 3年月平均海冰密集度偏差可以看到，不同實驗配置下模式模擬的海冰密集度相對于O S I S A F資料基本均為正偏差，同化實驗在夏季時平均偏差接近0，同化實驗?zāi)M的月平均海冰密集度與O S I S A F資料偏差較小，模擬結(jié)果準確度較高。

表2展示了不同實驗的月平均海冰密集度平均偏差、均方根誤差和平均絕對誤差，多參數(shù)同化對這些值都有明顯的改進作用。同化海冰密集度后，平均偏差由控制實驗的0. 0 9 72減小到0.0 4 80，均方根誤差由控制實驗的0.3 0 84減小到0.2 0 99，平均絕對誤差由控制實驗的0.1 3 42減小到0.0 7 87；同化海冰厚度后，平均偏差由0. 0 4 80減小到0. 0 4 33，均方根誤差由0. 2 0 99減小到0.2 0 53，平均絕對誤差由0.0 7 87減小到0.0 7 75；同化海冰干舷后，平均偏差由0. 0 4 33減小到0.0 4 23，均方根誤差由0.2 0 53減小到0.2 0 34，平均絕對誤差由0.0 7 75減小到0.0 7 66。

圖2為不同實驗配置下模擬的2 0 2 3年不同月份的月平均海冰密集度，從圖中可以看出，控制實驗的主要問題是在夏季都高估了北極的海冰分布。在6月，高估的海冰主要集中于白令海峽附近以及加拿大群島；在9月，高估的海冰集中于巴芬灣，東西伯利亞海，波弗特海，拉普捷夫海等地區(qū)。同化實驗中，高估海冰密集度的情況得到了明顯改善，同化海冰厚度和同化海冰干舷對海冰密集度模擬的改進并不明顯。

圖3展示了不同實驗海冰密集度偏差（相比于O S I S A F）?？刂茖嶒炛卸驹路莺１M的偏差主要出現(xiàn)在新地島和格陵蘭島周圍，模擬高估了新地島周圍的海冰，低估了格陵蘭島東側(cè)的海冰。同化對冬季月份的海冰密集度模擬偏差改進不大，控制實驗和同化實驗對海冰密集度模擬的偏差主要出現(xiàn)在遠離陸地的海冰邊緣區(qū)。同化對夏季月份海冰模擬對海冰的低估有一定的改進作用，偏差出現(xiàn)在海冰邊緣區(qū)， 9月份時的海冰模擬整體存在嚴重的高估北極海冰密集度情況，在格陵蘭海存在明顯的低估海冰密集度現(xiàn)象，同化對這兩種情況都有較大的改進，但同化實驗在有海冰區(qū)域仍有正的模擬偏差，在格陵蘭島的東北部有較大的海冰密集度負偏差，同化海冰厚度和海冰干舷對同化實驗的改進不明顯；在1 2月份時同化實驗對海冰密集度模擬偏差的改進不明顯，控制實驗和同化實驗對海冰密集度的模擬偏差主要出現(xiàn)在遠離陸地的海冰邊緣區(qū)和白令海峽附近。

2.2 海冰范圍評估

圖4為觀測和實驗?zāi)M的海冰范圍月變化。在9月時海冰范圍達到1年中的最小值。與觀測相比，控制實驗和同化實驗都較好地模擬出了北極海冰范圍的季節(jié)變化，但控制實驗明顯高估了北極海冰范圍，在9月份時最為明顯，控制實驗?zāi)M得到的2 0 2 3年海冰范圍最低值為7 4 0萬k m2左右，但實際觀測得到的北極海冰范圍僅有4 0 0萬k m2左右。同化實驗?zāi)M的海冰范圍在夏秋季節(jié)相比于控制實驗有明顯改進，但是在冬春季節(jié)對模擬結(jié)果的改進并不大，在9月份時，同化實驗?zāi)M的2 0 2 3年北極海冰范圍最低值為4 2 0萬k m2左右，與觀測結(jié)果接近。在同化實驗中，同化不同的海冰資料對海冰范圍模擬的影響較小，除7、8月份以外，其他月份3個同化實驗?zāi)M的海冰范圍都十分接近。

定量來說，如表3所示，同化海冰密集度后，平均偏差由控制實驗的1 5 2 . 9 1萬k m2減小到8 6 . 3 7萬k m2，均方根誤差由控制實驗的1 7 9 .4 5萬k m2減小到9 6 .9 4萬k m2，平均絕對誤差由控制實驗的1 5 2 .9 1萬k m2減小到8 6 .3 7萬k m2；同化海冰厚度后，平均偏差由8 6 .3 7萬k m2減小到8 0 .3 0萬k m2，均方根誤差由9 6 .9 4萬k m2減小到9 1 .2 5萬k m2，平均絕對誤差由8 6.3 7萬k m2減小到8 0. 3 0萬k m2；同化海冰干舷后，平均偏差由8 0.3 0萬k m2減小到7 8. 3 2萬k m2，均方根誤差由9 1. 2 5萬k m2減小到8 9. 6 0萬k m2，平均絕對誤差由8 0 .3 0萬k m2減小到7 8 .3 2萬k m2。說明數(shù)據(jù)同化能顯著提升海冰范圍模擬的準確性，同化更多的海冰參數(shù)能進一步改善模式對海冰范圍的模擬。

圖5給出了在2 0 2 3年3月、6月、9月和1 2月模擬和觀測的海冰范圍。3月，模擬的海冰與觀測的海冰范圍除高估了新地島西的海冰范圍外基本一致，同化實驗對海冰范圍模擬的改進不大； 6月，控制實驗和同化實驗均高估了海冰范圍，同化海冰密集度、海冰厚度、海冰干舷對模擬結(jié)果的改進也并不明顯；在9月，與觀測相比，控制實驗明顯高估了北極的海冰范圍，在同化實驗中，海冰范圍的模擬得到了明顯的改善，特別是在巴芬灣、拉普捷夫海、東西伯利亞海、波弗特海附近的廣大海域，海冰資料的同化對海冰范圍模擬的高估得到了有效改進；在1 2月，控制實驗高估了海冰范圍，同化實驗的改進不明顯。

2.3 東北航道通航情況分析

圖6（ a）為基于同化實驗?zāi)M的海冰密集度繪制的2 0 2 3年夏季東北航道海冰外緣線的最高緯度變化，在3 0°-1 7 0°E，不同實驗的東北航道海冰外緣線的最高緯度呈波動變化，海冰外緣線的最高緯度在8 0°-8 5°N之間?？刂茖嶒瀼? 0 0°E開始，其海冰外緣線最高緯度大幅度下降，最低到達7 0°N，其余實驗以及O S I S A F的波動幅度并不大，基本變化趨勢為由高緯度向低緯度變化，但不同經(jīng)度之間的差異不大，其變化過程中的海冰外緣線緯度最低為7 7°N。除控制實驗在3 0°-1 0 0°E高估了海冰外緣線的最高緯度外，其他實驗均低估了海冰外緣線的最高緯度。從圖6（ b） 2 0 2 3年夏季東北航道海冰外緣線的最高緯度偏差的變化情況來看，同化實驗以及控制實驗在3 0°-1 0 0°E的偏差均較小，在1 0 0°-1 7 0°E偏差增大，同化實驗相對于控制實驗改善明顯。

本文選取了東北航道4個關(guān)鍵海峽，以海峽內(nèi)連續(xù)3天區(qū)域平均海冰密集度低于1 5%的第一天，以及此時間后連續(xù)3天區(qū)域平均海冰密集度大于1 5%的第一天，確定了各個海峽通航窗口的開啟以及關(guān)閉時間，繪制了圖7所示的2 0 2 3年東北航道關(guān)鍵海峽通航窗口。如圖7所示， 2 0 2 3年東北航道各關(guān)鍵海峽的平均可通航起始時間在8月，結(jié)束時間在1 0月，通航期為8 0天左右。根據(jù)控制實驗結(jié)果得到的德朗海峽通航窗口開啟時間延后，關(guān)閉時間提前，桑尼科夫海峽、德米特拉普捷夫海峽和維利基茨基海峽在2 0 2 3年沒有可通航期，與實際情況不符，根據(jù)同化實驗結(jié)果得到的東北航道關(guān)鍵海峽通航窗口與根據(jù)O S I S A F得到的東北航道關(guān)鍵海峽通航窗口基本一致。

3 總結(jié)

本文采用局地誤差子空間變換卡爾曼濾波（ L E S T K F）同化方法，通過P D A F數(shù)據(jù)同化框架將該數(shù)據(jù)同化方法接入C I C E海冰模式。利用該數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)進行海冰密集度、海冰厚度、海冰干舷的同化實驗。

我們將C I C E海冰模式的控制實驗以及同化實驗的海冰密集度、海冰范圍與衛(wèi)星觀測的結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)同化實驗的表現(xiàn)良好。評估顯示，同化實驗對北極海冰模擬的海冰密集度和海冰范圍具有很大改善作用，各個同化實驗對北極海冰模擬的改進主要在夏季，在其他季節(jié)的改進并不明顯，其中同時同化海冰密集度、海冰厚度、海冰干舷的同化實驗效果最好。

在北極海冰快速減少以及“冰上絲綢之路”提出的背景下，北極東北航道的開發(fā)和利用具有良好的前景。本文的研究有助于了解東北航道的冰情變化以及通航情況，為東北航道的開發(fā)利用以及船只航行安全保障提供更可靠的信息。

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[ 2 5] K u r t zN. ， J .- H a r b e c k. C r y o S a t - 2L e v e l - 4S e a i c e e l e v a t i o n， f r e e b o a r d，a n d t h i c k n e s s，v e r s i o n1[ Z]. B o u l d e r，C o l o r a d oU S A：NA S AN a -t i o n a lS n o wa n dI c eD a t aC e n t e rD i s t r i b u t e dA c t i v eA r c h i v eC e n t e r，2 0 1 7.

[ 2 6] A n o n . J R A-5 5：J a p a n e s e5 5-y e a r r e a n a l y s i s，d a i l y3-h o u r l ya n d6-h o u r l yd a t a（ u p d a t e dm o n t h l y） [ Z]. R e s e a r c hD a t aA r c h i v ea t t h eN a t i o n a lC e n t e r f o rA t m o s p h e r i cR e s e a r c h，C o m p u t a t i o n a l a n dI n f o r m a t i o nS y s t e m sL a b o r a t o r y，2 0 1 3.

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