（气象学专业论文）海冰模式中盐度参数化方案和侧边界融化过程的数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 本文以c o m m u n i t ys e a i c e m o d e l ( c s i m 5 ) 海冰模式和s e a i c e s i m u l a t o r ( s i s ) 海冰模式分析两种盐度参数化方案在两个海冰模式中数值模拟 中的差别。同时从方程出发分析s i s 海冰模式中两种盐度参数化方案之间的差 异项。同时采用以上模式分析侧边界融化过程对极地海冰增长和消融的热力影 响。主要结论如下： 1 、两种盐度参数化方案模拟出海冰厚度和海冰密集度地理分布差异很小， 海冰厚度的差异分布在厚度高值区，而海冰密集度的差异分布在海冰的边缘地 区，相比而言，夏季比冬季差异明显一点。 2 、两种盐度参数化方案在s i s 海冰模式中的存在盐度差异项，尺度分析表 明，盐度差异项要比方程中其它项小1 - 2 个量级，如果采用一级近似可以略去 盐度差异项，可见两种盐度参数化方案的差异项对于对海冰增长和消融影响很 小，这与数值模拟的结果吻合。 3 、盐度差异项虽然作用很小，但具有清晰的热力效应，对北极海冰增长和 消融的热力作用而言：在海冰厚度增长季节( 1 1 月到次年5 月) ，盐度差异项 通过升高海冰内部温度，抑制海冰增长；在消融的第一阶段( 6 月一8 月) ，盐 度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融；在消融的第二阶段( 9 月一1 0 月) ，盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。 4 、采用c s i m 5 海冰模式，侧边界融化过程会减小海冰的覆盖面积，影响极 地海冰面积的季节性变化，北极海冰面积的最大值和最小值都要往后延迟一个 月，南极海冰面积的最大值也往后延迟一个月。同时会减小海冰的厚度，差异 的大值区分布在海冰的边缘地区。海表面温度对侧边界融化有直接的影响，其 中海表面温度o 度线是个关键线。 5 、将c s i m 5 模式中的侧边界融化过程移植到s i s 海冰模式中，模拟结果对 南极的影响差异很小，对北极存在一定的差异，而这种差异更符合观测事实。 关键词：海冰模式，盐度参数化，侧边界融化 a b s t r a c t a b s l r a c t i nt h i ss t u d y , w es i m u l a t e dt h es e ai c ea r e aa n ds e ai c et h i c k n e s sb yt w os e ai c e m o d e l s ，t h a ti s ，c o m m u n i t ys e ai c em o d e l ( c s i m 5 ) a n ds e ai c es i m u l a t o r ( s i s ) ) w h i c ha d o p tt w os a l i n i t yp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s ，r e s p e c t i v e l y w ee x a m i n e dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w os a l i n i t yp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e si nb o t ho ft h et w os e a i c em o d e l s i na d d i t i o n ，at r a n s p l a n t a t i o no ft h el a t e r a lm e l t i n go nt h ec s i m 5m o d e l t o 也es i sm o d e la n dw a sd i dt of i n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i m u l a t i o n so ft h e t w om o d e l su s i n gt h es a m el a t e r a lm e l t i n g m a j o rc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed i s t r i b u t i o n so ft h es i m u l a t e ds e ai c ec o n c e n t r a t i o na n dt h i c k n e s sa r e s i m i l a rw h e nu s et h et w os a l i n i t yp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e si nt h et w om o d e l s ， r e s p e c t i v e l y , e x c e p tt h em a x i m u mv a l u ec e n t e ro ft h es e ai c et h i c k n e s sa n dt h e c o n c e n t r a t i o no v e rs e ai c ee d g e r e l a t i v e l ys p e a k i n g ，t h ed i f f e r e n c e sa r em o r e s i g n i f i c a n ti ns u m m e rt h a nt h o s ei nw i n t e r , t h o u g ht h ev a l u eo ft h e s ed i f f e r e n c e sa r e v e r ys m a l l ，e v e nc a l lb en e g l e c t e d ( 2 ) t h e r ei so n l yo n es a l i n i t yd i f f e r e n tt e r mi nt h et w os a l i n i t yp a r a m e t e r i z a t i o n s c h e m e si ns i sm o d e l i naf i r s ta p p r o x i m a t i o n ，t h es a l i n i t yd i f f e r e n tt e r mc a nb e n e g l e c t e d r e s u m p t i v e l y , t h es a l i n i t yp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e sa l m o s th a v en o e f f e c to nt h eg r o w t ha n dt h em e l to fs e ai c e ag o o da g r e e m e n ti ss h o w nb e t w e e nt h e r e s u l t so ft h es c a l ea n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o n ( 3 ) t h et h e r m o d y n a m i ce f f e c to ft h es a l i n i t yd i f f e r e n c et e r mo ns e ai c e t h i c k n e s sa n ds e ai c ec o n c e n t r a t i o nw a si n v e s t i g a t e d r e s u l t ss u g g e s tt h a to nt h e i n f l u e n c eo ft h es a l i n i t yd i f f e r e n tt e r mt h es e ai c et e m p e r a t u r ec o u l db er a i s ea n d t h e nr e s t r a i ns e ai c ef r e e z i n gi nt h ef r e e z i n gp r o c e s sf r o mn o v e m b e rt on e x tm a y i n d e t a i l ，t h eu p p e ri c em e l t i n gr a t ei sf a s t e rt h a nt h el o w e ri c em e l t i n gr a t ea tt h e m e l t i n gp h a s ef r o mj u n et oa u g u s ta n dm e a n w h i l et h es e ai c et e m p e r a t u r ec o u l dr i s e a b s t r a c t a n da c c e l e r a t et h es e ai c em e l t i n g i nt h e f o l l o w i n gs e c o n dm e l t i n gp h a s ef r o m s e p t e m b e r t oo c t o b e r , t h eu p p e ri c em e l t i n gr a t ei ss l o w e rt h a nt h a to ft h el o w e ra n d m e a n w h i l et h es e ai c et e m p e r a t u r ew a sd e c r e a s e dw h i c hp r o b a b l yr e s t r a i ns e ai c e m e l t i n g ( 4 ) i no u rw o r k ，t h es e ai c ea r e aa n ds e ai c et h i c k n e s sw e r es i m u l a t e du s i n gt h e c s i m 5m o d e lw i t ha n dw i t h o u tl a t e r a lm e l t i n g ，r e s p e c t i v e l y r e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ec s i m 5m o d e lw i t h o u tl a t e r a lm e l t i n gc a ns i m u l a t e dm u c hl a r g e ra n dt h i c k e rs e a i c et h a nt h a ts i m u l a t e db yc s i m 5m o d e lw i t hl a t e r a lm e l t i n g t h e r ea r er e m a r k a b l e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w os i m u l a t i o n su s i n gc s i m 5m o d e lw i t ha n dw i t h o u t l a t e r a lm e l t i n go v e rt h es e ai c em a r g i n a la r e a s t h er a t eo ft h el a t e r a lm e l t i n gi s d e t e r m i n e db yt h es e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) t h u s ，t h e0d e g r e el i n eo ft h es s t i sac r i t i c a ll i n ef o rt h es i m u l a t e ds e ai c ea r e a i na d d i t i o n ，t h es e a s o n a lv a r i a t i o no f t h es e ai c ea r e ai sa l s oc h a n g e d t h es i m u l a t e da r c t i cs e ai c ea r e ao ft h em a x i m u m a n dm i n i m u ma r es u b s e q u e n to n e - m o n t he x t e n s i o ni nt h ec s i m 5m o d e lw i t h o u t l a t e r a lm e l t i n gc o m p a r i n gw i t ht h a ti nt h ec s i m 5m o d e lw i t hl a t e r a lm e l t i n g t h e s i m u l a t e da n t a r c t i cs e ai c ea r e ah a st h es i m i l a rf e a t u r e sw i t h 廿l ea r c t i cs e ai c ea r e a ( 5 ) w et r a n s p l a n tt h el a t e r a lm e l t i n go ft h ec s i m 5m o d e lt ot h es i sm o d e la n d d e s i g n e dt w oe x p e r i m e n t s u s i n gs i sm o d e lw i t ha n dw i t h o u tl a t e r a lm e l t i n g r e s p e c t i v e l y r e s u l t ss h o w e dt h a t t h e r ea r en o t a b l ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e s i m u l a t i o n so ft h et w oe x p e r i m e n t so v e rt h ea r c t i cw h i c ha r em a i n l ya r o u n dt h es e a i c em a r g i n a la r e a , b u tn or e m a r k a b l ed i f f e r e n c eo v e rt h ea n t a r c t i c t h es e a s o n a l c h a n g e so fs e ai c ea r e as i m u l a t i o n si na r c t i cc o n s i s t e n tw i t ht h eo b s e r v a t i o n k e y w o r d s ：s e ai c em o d e l ，s a l i n i t yp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s ，l a t e r a lm e l t i n g 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：丢勉二作者签名：幽【二 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 作者签名：毯乃作者签名：丛如 日期： 第一章绪论 第一章绪论 北极海冰面积最大时超过北半球面积的5 ，南极海冰面积最大时超过8 ，卫星反演 海冰覆盖面积资料表明：在过去二十年北极海冰面积每1 0 年以3 的速度在减少( c o m i s o ， 2 0 0 6 ) 【l 】，这种变化极大刺激人类的神经。相对于南极冰盖和格陵兰冰盖，海冰是比较薄 而且对于环境变化响应最迅速的物质，因此海冰不但是气候变化的重要因子，也是气候变 化的重要指示信号，成为气候变化研究的重要领域。近年来对海冰研究不但关注海冰与地 球气候系统的相互作用以及海冰对气候变化的可能响应的机制( 程彦杰等，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ； 陆龙骅等，2 0 0 6 ；l i u ，j p ，2 0 0 4 ；r i g o r ，2 0 0 2 ) 2 - 6 】，同时也很关注目前的气候模式对极 地海冰的模拟能力的研究( 刘钦政等，2 0 0 0 ，2 0 0 4 ；刘喜迎等，2 0 0 3 ；c m b i t z ，2 0 0 1 ； w h l i p s c o m b ，2 0 0 7 ) 7 1 。 由于极地地理位置的原因以及观测资料的稀缺，近几十年的科学研究中，数值模式已 经成为研究极地海冰的重要工具，但数值模拟的能力的提高也受到一些限制，其主要原因 之一是对北极和南极地区冰雪与大气和海洋的相互作用过程认识不足。因此，必须对极地 的辐射平衡、水汽、动量输送和能量交换过程及其参数化方案进行深入的研究，为数值模 式提供更适合的物理特征参数。众所周知，参数化方案是决定数值模式模拟能力关键因素 之一，表征某一物理过程的参数化方案往往有若干个，但各种参数化方案在设计原理、复 杂程度、计算耗费机时和成熟程度等方面存在差异，研究者须根据研究目的和计算条件等 情况综合判断、对比选择。要做出正确的选择，前提就需要对各种参数化方案以及各种物 理量进行数值模拟分析，比较方案之间的差异和优劣。 1 1 海冰在气候系统的作用 海冰对气候系统的作用主要表现在以下几个方面：海冰在高纬度和大气以及海洋存在 强烈相互作用，会影响大气环流和海洋环流( w a l s h ，1 9 7 9 符淙斌，1 9 8 1 ：c h a p m a ne ta 1 ， 1 9 9 3 ：d e s e re ta 1 ，2 0 0 0 ；武炳义等，2 0 0 1 ) 1 2 6 1 ；海冰变化导致表面反照率的改变会显著影 1 第一章绪论 响地球表面吸收太阳辐射( s h i n e ，i c ea n dr g c r a n e ，1 9 8 4 ) 0 7 ；海冰的存在会抑制海洋 的能量损失；海冰的会影响地球表面的能量收支以及海气的能量交换( h o l l a n de ta 1 ， 2 0 0 6 a ) 0 8 】：海冰由于其自身存在正反馈机制，使得海冰能快速又敏感的响应气候变化 ( b u d y k o ，1 9 6 9 ) 1 9 ；覆盖在海冰上的雪对于极地气候也有重要作用。 1 2 海冰盐度以及盐度参数化方案 海冰的盐度是指其融化后海水的盐度，一般为3 - 7 0 左右。海水结冰时，是其中的水 冻结，而将其中的盐分排挤出来，部分来不及流走的盐分以盐水的形式被包围在冰晶之间 的空隙里形成“盐泡”。此外，海水结冰时，还将来不及逸出的气体也包围在冰晶之间，形 成“气泡”，因此海冰不同于淡水冰，海冰实际上是淡水冰晶、盐水( b r i n e ) 和气泡的混合 物，可将盐水和气泡总称为盐水泡。 海冰由于盐水泡的存在，使得海冰相对于淡水冰，其热力特征、光学特征以及海冰的 力学特征变得更为复杂。盐水泡对海冰的热力特征影响主要表现在两个方面，第一方面是 影响海冰的热传导。海冰内部的热量传递主要依赖于热传导，但因为盐水泡的存在使其传 递方式变得复杂，即海冰内部的热传递是由冰中的热传导和盐水泡的热流综合起作用，因 此海冰热传导率于海冰内部盐水泡体积的大小有密切关系。第二方面是影响海冰的比 热。在海冰内部盐水没有析出时，盐水泡始终和周围海冰处于热力学平衡状态，夏季海冰 内部的盐水泡吸收部分透过海冰的太阳辐射通量，导致盐水泡体积膨胀，从而抑制盐水周 围海冰的温度升高：而秋季结冰时恰好相反，海冰内部的盐水的热惯性会抑制海冰温度的 下斛2 1 1 。因此海冰的温度和盐度成为海冰比热的函数，而盐水泡所占的海冰的总体积是决 定其特征的主要原因。 尽管知道海冰内部盐水泡的重要作用，但是要准确能理解和预测海冰盐度随时间和空 间的演变是极其困难的。海冰模式出现了不同盐度参数化方案，用来表征海冰盐度在海冰 数值模拟中的作用，海冰盐度参数化方案都基于一些实际观测的基础来设计的，南极多年 冰中观测到这种盐度的均匀分布( e i c h e n ，1 9 9 2 ) ，但事实上多数的观测结果为海冰盐 度为向上递减的盐度分布( s c h w e r d t f e g e r ，1 9 6 3 ：m a y k u ta n dg r e n f e l l ，1 9 7 5 ：w e e k sa n d 2 第一章绪论 a c k l e y ，1 9 8 6 ) 2 3 2 s 。这是因为海冰的生成主要发生在海冰底部，另外，也与海冰内的裂 缝和排水坑产生的向下流动的盐水流有关。用于描述海冰盐度在空间和时间上的变化的盐 度参数化方案也有研究( v a n c o p p e n o l l e ，e ta 1 ，2 0 0 5 ，2 0 0 8 ) 2 6 - 2 7 1 ，但参加世界气候研 究计划( w c r p ) 组织开展的耦合模式对比项目第三阶段( c m 口3 ) 的全部耦合模式中， 海冰盐度参数化方案只分两种，一种是海冰上下一致的等盐度参数化方案，另外一种是海 冰盐度随着海冰厚度往下增加的盐度廓线参数化方案。 本文将在第三章分析两种盐度参数化方案在两种海冰模式的数值模拟，并详细分析在 s i s 海冰模式中两种方案的差异。 1 3 水道侧边界融化对海冰数值模拟的影响 海冰水道是指海冰之间狭窄的水域，它是海冰运动过程中相互挤压或者单个海冰断裂 而形成的。水道的宽度范围从几米到几公里，水道通常会分支或者多个水道交叉，在海冰 间形成复杂的线性网状结构，在冬季水道会随冷空气到来快速冻结。水道重要性主要为： 水道的季节性变化会影响局地和区域的气候；水道相对周围海冰具有更低的反照率，从而 导致水道吸收更多的太阳辐射，用于融化周围的海冰或者升高水道的温度；水道会导致海 洋和大气的热量、水汽的大量交换，a c k l e y 和k e l i h e r 2 剐通过实际测量，海洋通过水道传 输到大气的热量和水汽通量比通过海冰传导要高两个量级；同时水道也存在大量湍流热传 输( m a y k u t ，1 9 7 6 ) 【2 9 1 。因此，对水道的物理过程的数值模拟就显得尤为重要。 水道侧边界融化是水道物理过程的重要组成部分。表征水道的物理过程，不但要表征 水道面积的变化，更为重要的是要表征被水道吸收的热量如何分配。这种分配方式主要分 为以下几种方案，方案一，无侧边界融化，水道吸收的热量全部用于加热水道海水的温度， 不考虑融化周围海冰( z u b o v ，1 9 4 5 ) 3 0 1 。方案二，水道吸收的热量全部用于周围海冰的 侧边界融化，而假定水道中海水温度保持结冰温度不变( w a s h i n g t o ne ta 1 ，1 9 7 6 ；h i b l e r ， 1 9 8 0 ) 3 1 - 3 2 1 。方案三，水道吸收的热量部分用于侧边界融化，部分热量用于垂直融化 ( p a r k i n s o n 和w a s h i n g t o n ，1 9 7 9 ；m a y k u t 和p c r o v i c h ，1 9 8 7 ：s t e e l e ，1 9 9 2 ) 【3 3 。5 1 。m a y k u t 和m c p h e e 3 6 1 指出第三种方案虽然水道吸收的热量主要用于海冰底部融化和海冰侧边界融 3 第一章绪论 化，但是无法分配分别用于海冰底部融化和海冰侧边界融化需要的热量。m a y k u t 和 p e r o v i c h 3 4 1 研究指出持水道的热量分配与水道的宽度有关，s t e e l e 3 5 1 进一步研究表明热量的 分配还与浮冰的周长有关。 本文将在第四章详细分析水道侧边界融化的热力过程，同时采用c s i m 5 海冰模式中分 析侧边界融化过程，对极地海冰的数值模拟，并且尝试将侧边界融化过程移植到s i s 海冰 模式中，进行数值模拟分析。 1 4 本文主要研究内容 国家气候中心发展的气候系统模式1 0 版本( b c cc s m l o ) 中耦合了s i s 海冰模式 3 7 】，本文的主要工作以提高s i s 海冰模式模拟能力为研究的出发点，尝试将物理过程考虑 更为全面的c s i m 5 海冰模式的盐度参数化方案和侧边界融化热力过程移植到s i s 海冰模式 中，分析移植前后s i s 海冰模式对极地海冰面积气候态的数值模拟能力。研究的主要内容 分为两大部分：第一部分比较分析两种盐度参数化方案在两个海冰模式中数值模拟区别， 同时从方程的出发分析s i s 海冰模式两种盐度参数化方案存在差异的原因；第二部分分析 c s i m 5 海冰模式的有、无水道的侧边界融化热力过程数值模拟试验的差异，同时将侧边界 融化过程引进到s i s 海冰模式中，分析移植前后数值模拟的区别。 论文章节的安排如下： 第一章绪论 主要阐述论文的研究目的、思路和主要内容。 第二章模式介绍以及极地海冰密集度气候态分析 介绍海冰模式简单的发展过程，以及本文需要用到两个海冰模式，同时利用卫星反演 资料分析极地海冰面积的现状。 第三章两种盐度参数化方案的数值模拟 采用两种海冰模式，分别采用两种盐度参数化方案进行模拟，并以s i s 海冰模式对两 种方案进行仔细分析。 第四章侧边界融化过程的数值模拟 4 第一章绪论 采用c s i m 5 海冰模式，分别采用有、无水道侧边界融化过程进行数值模拟，分析侧边 界融化对极地海冰数值模拟的重要作用，将侧边界融化的物理过程移植到s i s 海冰模式中 进行数值试验，比较移植前后的区别。 第五章总结和展望 对本论文的主要工作进行总结，并对以后工作提出设想。 5 第二章海冰模式介绍和极地海冰 第二章海冰模式介绍和极地海冰 随着人们对北极地区的探测技术和观测水平的提高，在积累极地地区大气、海洋、海 冰等观测资料的同时，科学家们也在不断探索和研制海冰数值模式，以期通过数值模拟的 方法来揭示北极海冰的动力机制和热力机制，从而弥补观测资料序列不够长，资料覆盖不 够完全等缺点。经过数十年发展，海冰数值模式的模拟水平取得了长足进步，己广泛地应 用于极地海冰的预报以及全球气候对海冰变化的响应等方面研究。由于海洋、海冰和大气 之间的相互作用非常复杂，对海冰模式的研制带来很大难度。自6 0 年代以来，科学家建立 和发展了很多海冰模式，并不断地对这些海冰模式进行改进，以期提高其模拟能力。目前 海冰模式分为热力模式、动力模式以及热力动力模式。 海冰的热力过程主要基于能量守恒原则。热力过程主要包括：海冰的形成、海冰的增 长、海冰和雪的融化以及海冰和雪的垂直温度结构的变化等，这些热力过程主要通过海冰 上表面、下表面以及侧表面与大气、海洋的能量交换的收支而发生变化。早期的热力模式 在空间上都为一维结构，而且只用于北极海冰的模拟，而且不包括海冰传输方案 ( u n t c r s t e i n e r ，1 9 6 4 ；m a y k u t 和u n t e r s t e i n e r1 9 6 9 ) 【3 8 4 9 】。海冰热力模式最具有开拓意义 是1 9 7 1 年m a y k - u t 等构造一个考虑最全面的一维海冰热力模式( 以下简称m u 7 1 ) ，用 表面热平衡决定海冰增长率，以扩散方程控制海冰内部热传递，且引入了雪盖、海冰盐度、 海冰内盐水泡、短波辐射透射加热、冰密度垂直变化、传导率和比热的影响。该模式模拟 出北极中心的平均海冰厚度、表面消融量和海冰内部温度场与观测资料较为一致，但是该 模式达到平衡态所用时间太长，该模式需要积分3 8 年才能达到稳定，同时不利于发展为三 维模式。1 9 7 6 年s e m n l 一4 1 1 对m u 7 1 模式作了大量简化，该模式在仅有一层雪层、两层冰 层、常数热传导系数和一个简单盐分含量参数情况下就能够模拟一般只有多层模式才可以 模拟的海冰厚度和面积的季节变化。同时用差分方法来表示模式的基本方程，从而使其适 合于三维模拟，同时去掉扩散方程的热源项，海冰和雪的比热以及热传导都采用常数对模 式方程进行了简化。1 9 7 9 年p a r k i n s o n 等删将海冰热力学模式扩展成大尺度三维模式，增 6 第二章海冰模式介绍和极地海冰 加了水道的影响，同时增加海冰传输。随着对海冰热力过程的深入研究，1 9 9 9 年b i t z 等4 2 】 提出海冰的热容量不仅包括海冰温度升高所需要的能量，同时包括升高盐水泡温度，以及 融化盐水泡周围海冰需要的能量，而一个物理过程清晰的海冰模式也应该能准确描述海冰 热容量和融解热。随后b i t z 等发展了一个能量守恒的多层海冰热力模式，较好地解决了这 一问题。2 0 0 0 年w i n t o n 【4 3 3 发展的海冰热力模式是在s e m t e n r 的模式的基础上，保留3 层垂 直结构，同样考虑上层海冰的热容量和融解热守恒的热力模式，该模式能采用一个完全非 迭代的隐式时间步长方案用来计算海冰温度，子s e m t e n r 模式相比可以采用更长的时间步 长，同时该模式能和g f d l 的大气模式进行很好的耦合。 海冰动力过程主要基于动量守恒的原则，考虑作用在海冰上的各种力的平衡，包括风 应力、海水应力、科氏力、海冰内力以及海面趋斜产生的梯度力。除了考虑海冰的力学特 征，还考虑海冰输送过程。早期的海冰动力过程的描述集中在海冰的自由运动，海冰之间 不相互作用( m a n a b ee ta 1 ，1 9 7 9 ) 脚】，而后开始把海冰看作是粘性流体或塑性物质( h i b l e r ， 1 9 7 4 ；1 9 7 9 ) 4 s - - 4 s 。7 0 年代北极冰动力学联合试验( a i d j e x ) 对各种海冰动力过程进行了 全面的了解，发展了一系列二维粘性冰流变学理论，开始了海冰塑性流变学的研究，a i d j e x 试验提出将海冰当成弹塑性流体，并对不同物理过程进行了参数化处理，a i d j e x 试验对 海冰动力学研究起重要推动作用。a i d j e x 试验后，h i b e r 对海冰动力学研究作出了重要贡 献，h i b e r i 删采用粘塑性流变学( ) 理论研究冰盖，并构造半隐式数值计算方案进行数 值试验，结果表明，h i b l e r 模式能较好模拟北极冰环流和海冰厚度的空间分布，模拟的结 果与观测资料比较一致。在很长时间内他的动力学模式及其计算方法在各种海冰模式中得 到广泛应用。h u n k e ( 1 9 9 7 ，2 0 0 1 ) 4 7 硼1 提出的弹一粘一塑性流变学( e v p ) 模型来替代v p 模型，相对v p 模型e v p 模型更适合并行计算、时间步长可以更短、具有更好计算稳定性 和效率性，同时更适合海冰模式与其它模式的耦合。 以下将介绍本文需要用到的两个海冰模式，都属于热力动力模式，均考虑海冰热力和 动力作用。 2 1s i s 海冰模式介绍 7 第二章海冰模式介绍和极地海冰 s e ai c es i m u l a t o r ( s i s ) 是基于f m s 框架下耦合模式中的海冰模式，是一个热力动力 海冰模式。热力部分采用了w i n t o n 4 3 1 提出的三层海冰垂直结构，类似于s e m m e r 4 1 1 的三层 垂直结构，垂直结构如图2 1 ：是由一层可选择的雪层和均分两层的冰层组成。同时对三层 结构做以下假定：l 、雪层没有热容量效应；2 、上层海冰存在感热通量和潜热通量，下层 海冰只有考虑感热通量：3 、太阳辐射进入没有雪覆盖的海冰时，只被上层海冰吸收或者穿 透海冰进入海洋，而下层海冰不吸收入射的太阳辐射；4 、假定热力过程只在垂直方向上 变化，不考虑侧边界的变化。于s e m t e n r 模式相比其考虑上层海冰的热容量和融解热守恒， 同时采用一个完全非迭代的隐式时间步长方案用来计算海冰温度，可以采用更长的时间步 长，同时该模式能和g f d l 的大气模式进行很好的耦合。s i s 海冰模式的垂直方向的热力 过程主要分三部分来计算，第一部分：计算三个温度，其中包括雪层( 无雪为冰层) 表面 温度t s ，通过诊断得到，t s 应低于或等于融化温度：两层海冰的温度t 1 、t 2 ；海冰底部 的温度t b ，为一固定值1 8 ，即海水结冰温度。第二部分：利用温度的计算值，求解海 冰表面能量通量和海冰底部的能量通量，再用能量通量来计算冰和雪的质量变化，从而调 整海冰厚度和雪层厚度的变化；第三部，再次调整温度的t 1 、t 2 、t s 变化。通过温度的 变化来计算海冰的能量守恒，从而计算出海冰厚度以及面积的变化。 s i s 海冰模式的动力部分采用h u n k e 和d u k o w i c z 4 8 1 弹粘塑性流变学( e v p ) 模型 来计算海冰内部动力过程。同时对该e v p 动力模型进行三点修改：1 、采用标准的b 网格 差分方案，能减少计算使用的时间；2 、在应变率张量和应力辐散项保留度量项；3 、在子 循环重新计算粘性变量。海冰厚度的再分布方案采用简单参数化方案。采用m u r r a y 4 9 1 的三 极网格处理极点问题，即保持南极点位置不变，北极点分为两个，位置位于欧亚大陆和北美 大陆，这种处理使得北冰洋中没有极点的存在，解决了海洋上出现奇点( s i n g u l a r i t y ) 的问 题。 s i s 海冰模式计算任意数量的海冰种类的海冰密集度、海冰厚度、海冰温度、海冰盐水 含量以及雪盖面积，同时包括海冰的运动变量。在耦合模式中，s i s 海冰模式为海洋提供 表面反照率和粗糙度等参数。 8 第二章海冰模式介绍和极地海冰 ，：气 f s 雩层 k ，。( 1 ：一t ) 上层冰 it t 上 t 1 k 。：( t 2 - t ，) 下层冰 t 2 k ：，( t ，一t 2 ) - 海洋tf f b 图2 1 三层海冰热力模式的垂直结构 图2 1 中h s 代表雪层厚度，h i 表示冰层厚度，t 1 、t 2 分别表示上下两层中点处的温度， t s 、t f 分别表示与大气接触的表面温度和与海水接触的海冰底部温度。f s 表示上表面进入 大气的热通量，f b 表示海洋输送到海冰的热通量，i 表示被上层海冰吸收或进入海洋的短 波辐射，k 2 3 ( t f t 2 ) 是海洋进入下层海冰的热通量，k 1 2 ( t 2 - t 1 ) 是下层海冰进入上层海冰的 热通量，k l 2 ( t 1 - t 。) 是上层海冰进入雪层的热通量。 2 2c s i m5 海冰模式介绍 公共海冰模式( c s n v l 5 ) 是耦合模式c c s m 3 的海冰部分，是由美国洛斯阿拉莫斯国 家实验室( l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 和美国国家大气研究中心( n c a r ) 联合开发 一个热力动力海冰模式。不同版本的c s i m 海冰模式都伴随c c s m 版本不断更新而一起 发布。1 9 9 6 年与c s m l 一起发布的海冰模式( c s 订1 ) 只考虑一类海冰厚度，海冰的独立 变量只包括海冰密集度、海冰和雪的厚度、表面气温、海冰温度以及海冰的流速，海冰的 热力模式采用s e m t n e r 三层结构，动力部分采用空化流变学模型( f l a t oa n dh i b l e r , 1 9 9 2 ) 5 0 1 ， 试验结果显示海冰厚度和其它变量在北极存在重大偏差( b o v i l l ea n dg e n t ，1 9 9 8 ；w e a t h e r l y , e ta l ，1 9 9 8 ) 【5 1 5 2 1 。2 0 0 2 年与c c s m 2 一起发布的c s i m 4 海冰版本，在前一版本的基础上 作了以下改进：塑性流变学来代替空化流变学；提高了海冰的热力结构；采用了多种类海 冰厚度的分布；海冰格点和海洋格点相互兼容。 2 0 0 4 年于c c s m 3 一起发布的c s i m 5 ，采用向量形式修改了c s i m 4 的源代码，提高 q t船士i m 上 第二章海冰模式介绍和极地海冰 了模式中某些数值算法，同时在参数化也进行改进，比如，用更准确有效重映方案 ( r e m p p i n gs c h e m e ) ( l i p s c o m ba n dh u n k e ，2 0 0 4 ) 例来替代二阶水平平流方案 ( s m o l a r k i e w i c z ，1 9 8 4 ) 【5 4 】。在海冰边缘区的动力边界条件进行改进( c o n n o l l e ye ta 1 2 0 0 4 ) 1 5 5 。 c s i m 5 热力部分采用一个基于m a y k u t 和b i t z 和l i p s c o m b 能量守恒的热力模型，该 模型考虑了垂直温度廓线以及盐水袋参数化，模型结构包含4 层海冰和1 雪层；动力学模 型采用弹粘一塑流变学( e v p ) 【4 7 】；采用拉格朗日的厚度分布模型( t h o m d i k ee ta 1 ，1 9 7 5 ； b i t ze ta 1 2 0 0 1 ) 【5 6 5 7 】；海冰的冰脊参数化采用h i b l e r ( 1 9 8 0 ) 方案；海冰的强度由能量 学公式计算；海冰底部和侧边界融化过程采用m c p h e e ( 1 9 9 2 ) 5 9 1 的方案；在水平方向上 具有二阶精度的重映方案( l i p s c o m ba n dh u n k e ，2 0 0 4 ) 5 3 ；具有隐含融水池的海冰表面反照 率参数化；模式采用5 类海冰种类，每类海冰分别和大气、海洋进行通量交换；对海冰热 力和动力过程采用时间分离方案提高模式的计算效率。海冰动力过程用来计算海冰的速度 场，海冰的传输方案用来计算海冰密集度、海冰体积等变量的传输。海冰的成脊参数化方 案用来计算海冰在厚度空间中的传输。 2 3 极地海冰密集度地理分布以及覆盖范围的季节变化 利用雨云卫星( n i m b u s 7 ) 多波段微波辐射计( s m m r ) 和美国防卫气象卫星计划 ( d m s p ) 特别微波辐射成像计( s s m i ) 采集数据，利用特定的b o o t s t r a p 反演算法计算出极地 海冰密集度，资料的时间尺度从1 9 7 9 到2 0 0 6 年，计算逐月海冰密集度资料6 0 1 。另一种资 料海冰密集度资料( h a d l s s t ) 是由英国哈德莱中心提供的1 。月月平均资料6 1 1 。 采用h a d l s s t 资料，计算1 9 7 9 年到2 0 0 7 年海冰密集度的月平均值的地理分布( 图2 2 ， 图2 3 ) 。北半球海冰密集度覆盖范围最大的3 月份，在太平洋的北部的白令海、鄂霍次克 海，以及日本海北部有海冰覆盖。在大西洋北部的喀拉海、巴伦支海、格陵兰海、以及纽 芬兰岛北部海域有海冰覆盖，同时在巴芬湾、哈得孙湾都覆盖了海冰( 图2 2 ) 。海冰密集 度覆盖面积最小的9 月份，太平洋北部的鄂霍次克海、白令海以及白令海峡的都无海冰覆 盖。大西洋北部的喀拉海、巴伦支海、以及纽芬兰北部海域海冰都消失，其中在巴芬湾、 1 0 第二章海冰模式介绍和极地海冰 哈得孙湾的海冰也都基本全部融化( 图2 2 ) 。以上分析可知，在北极中央区域已多年冰为 主，在太平洋北部、大西洋北部的以1 年冰为主。 j m pj 9 91 誓ij 鹫。 ”i ：秽j 畛一、 “一 f。+ 蔫 。囊擎乏 ：圈-j ：囵_ 0 一) 。 。口?02r 一0 ( a ) 图2 3 南半球海冰密集度的地理分布( 2 月( a ) 、9 月( b ) ) 南半球海冰密集度覆盖范围最小2 月份。海冰主要分布西半球海洋的威德尔海、别林 1 1 第二章海冰模式介绍和极地海冰 斯高晋海和罗斯海，东半球靠近南极大陆的海洋上海冰较少，只沿着南极大陆架附近存在 少量的海冰。南半球海冰密集度覆盖范围最大的9 月份，海冰沿着南极大陆架到南纬6 0 度左右都有海冰覆盖，但海冰高密集度的区域主要分布在西半球海洋的威德尔海、别林斯 高晋海和罗斯海( 图2 3 ) 。由以上分析可知，南半球海冰主要以1 年冰为主，只有极小区 域的海冰为多年冰。 采用以上提到的两类海冰密集度资料，计算1 9 7 9 2 0 0 6 月平均海冰密集度覆盖范围总 面积( 图2 4 ) 。北半球海冰面积最大值出现在3 月份，最小值出现在9 月份，南极海冰面 积最大值出现在9 月份，最小值出现在2 月份。夏季南极海冰面积要小于北极海冰面积， 冬季南极海冰面积要大于北极海冰面积。 j 啦f e b m a ra p r k a y “m “da u g s e po c tn o v d e cj a nj nf e b m a r a p r k a y n mj 吼a u s e po c tb l o 、z d e ej n ( a )