国内外极地海冰业务化预报系统概述_刘娜.pdf

30国内外极地海冰业务化预报系统概述刘 娜 梁 曦*李 明 田忠翔 赵 福 孙启振 李宝辉（国家海洋环境预报中心 北京 1 0 0 0 8 1）摘 要：在全球气候变暖和北极海冰快速减少背景下，极地海冰预报发挥着越来越重要的作用。提高极地海冰预报能力是极区船只航行以及极区能源开发与保护等许多领域和方面的重要保障。近年来，各国发展并建立极地海冰预报系统，极地海冰业务化预报取得了显著进展。通过对海冰数值动力模拟进行模型开发、检验和验证，使模式结果不断向观测值靠拢，以实现灵活、强大的海冰模拟的目标，提高对极地海冰演化的预测。我国的极地海冰业务化预报系统在准实时同化海冰密集度和海冰厚度的基础上，实现了卫星观测海洋表面温度数据的融合，解决了极区观测变量数据同化技术中海冰海洋界面物质和能量的协同调整的难题，为极地科考和商业航行提供更精细化、更准确的海冰预报服务能力。文中简要介绍国内外极地海冰业务化预报系统的现状，并展望了未来发展的难点与问题。关键词：极地；海冰；业务化预报系统 中图分类号：P731.32 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.01.030Overview of Operational Numerical Forecasting Systems for Polar Sea IceLIU Na LIANG Xi*LI Ming TIAN Zhongxiang ZHAO Fu SUN Qizhen LI Baohui(National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China)Abstract:Under the background of global warming and rapid reduction of the Arctic sea ice,polar sea ice forecasting is playing an increasingly important role.Improving the ability of polar sea ice forecasting is an important guarantee for polar ship navigation,polar energy development and protection.In recent years,some countries have developed and established polar sea ice forecasting systems,and the operational forecasting of polar sea ice has advanced substantially.By developing,testing and verifying the numerical solution of sea ice dynamics and thermodynamics,the model predictions are increasingly close to the observed values,so as to achieve the goal of flexible and powerful sea ice simulation and prediction.Aimed at timely and accurate polar sea ice forecasts for Chinese National Arctic/Antarctic Research Expedition and Arctic commercial navigation,the operational polar sea ice forecasting systems in the National Marine Environmental Forecasting Center of China assimilate the satellite-observed near-real-time sea ice concentration,sea ice thickness and sea surface temperature data on a daily basis,with a capacity of coordinated adjustments of relative tracers and momentum at the ice-ocean interface.This paper briefly introduces state-of-the-art operational polar sea ice forecasting systems in the world,and prospects the potential difficulties and problems in developing sea ice numerical forecasting skill in the future.Keywords:polar;sea ice;operational forecasting system收稿日期：2022-09-27；修回日期：2022-11-15作者简介：刘 娜（1982-），女，博士，副研究员。研究方向：北极海冰数值模拟。通讯作者：梁 曦（1987-），男，博士，副研究员。研究方向：极地海冰数值模拟及预报预测。李 明（1983-），男，博士，副研究员。研究方向：北极海冰流变学过程。田忠翔（1986-），男，博士，工程师。研究方向：北极大气-海冰-海洋相互作用。赵 福（1990-），男，硕士，工程师。研究方向：南极海冰数值模拟与预报预测。孙启振（1984-），男，博士，副研究员。研究方向：极地数值天气预报。李宝辉（1971-），男，博士，研究员。研究方向：海冰物理过程及预报预测。31刘 娜，等：国内外极地海冰业务化预报系统概述例2023年第1期总第202 期专题二0 引 言在全球变暖的大背景下，北极地区的近表层大气升温明显，其升温速率是全球变暖平均速率的 2 倍，与之相伴的是北极海冰面积和体积的快速减少，尤其是夏季 9 月份，北极海冰总量的减少更为显著。有卫星观测记录以来，南极海冰范围在2014 年之前呈略微增大的趋势，2014 至 2016 年间快速减少，2022 年出现历史极低值情况。极地地区海冰覆盖范围的变化对极地生物群落、中低纬气候系统以及全球水循环均产生深远影响。极地是全球变化最显著的地区，其科学研究价值、经济附加利益和地缘政治影响日益凸显。因此，近些年来极地研究受到国际社会越来越多的关注，在极地地区观监测能力建设和预报预测技术研发等方面的国际协作活动也日益增多。最具代表性的是极地预报计划（polar prediction project,PPP）和北极多学科漂流观测研究（multidisciplinary drifting observatory for the study of Arctic climate,MOSAiC），其目的就是加强国际极地观测预报体系建设，加深对极地大气-海冰-海洋物理过程的理解，改进极地数值模拟和资料同化水平，提高从小时到季节时间尺度的极地地区预报、预测能力。环北极国家因为地理优势，在北极海冰研究方面耕耘已久，其观测历史较长、观测手段丰富且技术先进，获取的数据较多，能够通过相关机构发布海冰预报产品。西半球近北极国家（如德国、法国）依托其相对完善的科技体系，对北极地区大多具备一定的观监测和预报能力。南极大陆远离人类主要聚集区，国际社会对南极海冰的预报需求相对较少，近年来随着南极科考和旅游活动的频繁开展，南极海冰预报的潜在价值逐渐显现，有些国家已经尝试开展业务化南极海冰预报服务。由于区域海洋气象条件差异的存在，加之海洋、海冰和冰架的相互作用，使得极地海冰变化更加复杂。我国自 1984 年首次南极科学考察开始，迄今已进行了 38 次南极科学考察。从 2016 年开始北极科学考察进入常态化，之后每年进行 1 次北极科学考察，极地科考项目的顺利进行需要更准确的极地海冰数值预报保障。随着“冰上丝绸之路”战略的实施和北极航道适航性逐渐提高，越来越多的商船驶入了北冰洋。截至 2021 年底，中远海运特运已成功开展 46 艘船只 56 个航次的东北航道商业航行，初步实现北极东北航道的常态化运营。商船航行安全对极地海冰数值预报的需求也进一步提升。为满足极地活动对极地海冰预报、预测越来越高的要求，近年来我国也加强了对极地环境观监测产品的数据同化研究，研发了适用于极区的冰-海耦合以及气-冰-海耦合数值预报系统，开展了两极海冰精细化短期预报和中长期预测，并加强极地海冰预报产品与极地科学考察和商业航运需求的衔接。本文简要介绍国内外极地海冰业务化预报系统的现状，并展望未来发展的难点与问题。1 国外极地海冰预报系统目前，国际上许多国家都开展了极地海冰预报工作，环北极和欧洲一些国家的极地预报信息相对全面。早期业务化数值预报中心曾经使用单纯的海冰模型1开展海冰业务化预报，这些模型能基于海冰热力学和动力学方程反映基本的海冰物理过程，预报海冰的生长、融化和漂移，如 CICE 模型2、Louvain-la-Neuve 海冰模型3和海冰模拟器4等。随着超级计算机技术的发展，计算能力得到大幅提升，使得具备模拟极区界面间多尺度耦合过程能力的大气-海冰-海洋耦合模型配置成为可能，业务化中心也越来越多地建立全球或区域大气-海冰-海洋耦合预报系统，能够在多种时间尺度上对极地海冰进行预报，但这些预报系统大多同化。将海冰模式作为其预报系统必要组成部分的业务化预报中心如下页表 1 所示5。这些模型的海冰分辨率正在向更细的尺度发展，全球模型能达到1/12，区域模型的分辨率甚至更高。法国的 GLO-HR/CMEMS 系统具有较高水平分辨率，在南极沿岸海域可达 2 km；美国的 ACNFS 系统在北极点附近的水平分辨率可达 3.5 km。这 2 个系统能够较好32地模拟极区中尺度涡旋、涡丝等海洋中尺度过程，具备多尺度海洋动力学解析能力。业务化中心的数据同化代码通常比物理模型更复杂，并与物理模型结合在一起，海冰和海洋表层参数卫星观测数据以及海洋上层温盐特性潜浮标观测数据是常见的同化要素。表所列的海冰预报系统有各自的数据同化方案，其数据同化方案多数是基于变分同化或者滤波同化方法。随着数据同化方案的复杂程度增加，同化的观测资料数量和种类也更加丰富。四维变分同化技术和集合滤波同化技术具备多时间、多要素观测资料同化能力，被认为是有效提高海冰预报预测水平的潜在方法。下文举例介绍几个国外海冰预报系统及其主要参数配置。表 1 包括海冰模式的业务化数值预报系统国 家机 构模型系统海洋模式海冰模式大气模式海洋/海冰 分辨率同化系统美 国海军研究实验室 NRLACNFSHYCOMCICENOGAPS3.5 km（北极）NCODA-based加拿大加拿大气象和环境预测中心 CCMEPGIOPSNEMOCICEGEM0.25SAM中 国国家海洋环境预报中心NMEFCArcIOPSMITgcmMITgcmGFS18 kmEnKF丹 麦丹麦气象研究所 DMIHYCOM-CICEHYCOMCICEIFS10 kmNudging欧 洲欧洲中尺度天气预报中心 ECMWFECMWFNEMOLIM2IFS0.25NEMOVAR法 国墨卡托海洋国际 MOIGLO-HR/CMEMSNEMOLIM2IFS0.08SAM日 本日本气象厅/气象研究所JMA/MRICPS2MRI.COMMRI.COMGSM0.5MOVE挪 威南森环境与遥感中心/挪威气象NERSC/Met NorwayTOPAZ4HYCOMTOPAZIFS1216 km（北极）EnKF英 国气象部门 Met OfficeFOAMNEMOCICEUM0.25NEMOVA