JGR Atmospheres: 高分辨率动力降尺度提升北极航道海冰次季节-季节预测能力

中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）杨清华教授团队联合挪威南森环境与遥感中心Yiguo Wang、挪威气象局Keguang Wang团队，利用挪威气象局开发的挪威高分辨率泛北极海洋-海冰预测系统（NorHAPS），将挪威气候预测系统（NorCPM）的海冰预测动力降尺度至3−5 km分辨率。研究结果表明，高分辨率动力降尺度能够有效降低海冰高估偏差，并改进海冰冻结期的预测表现，从而提升北极航道海冰次季节-季节预测能力。相关成果发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres。

随着北极海冰持续减少、北极航运活动显著增加，对高精度海冰预测的需求愈发迫切。特别是次季节-季节尺度预测，即衔接天气尺度到气候尺度的2周到60天的海冰预测，对于北极航道通航窗口期评估和航线规划具有重要意义。NorCPM是研究北极海冰变化的重要气候预测系统，但其空间分辨率较低，难以满足航运对精细尺度海冰信息的需求。为此，研究团队利用NorHAPS开展动力降尺度，将海冰预测分辨率提升至3−5 km，并选取2023年9月至12月作为试验时段，对东北航道和西北航道的预测结果进行了系统评估。与目前主要集中于高分辨率的天气尺度预测研究不同，本研究基于气候预测系统开展动力降尺度，在更长预测时效下提升对海冰精细结构的刻画能力，展现出在中长期预测应用中的潜在优势。

结果表明，动力降尺度显著降低了海冰密集度平均绝对误差（MAE，见图1）和综合海冰边缘误差（IIEE）。尽管两套系统均存在海冰密集度偏高的问题，但NorHAPS的高估偏差更小，且改进主要体现在海冰边缘区域。

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图1. NorCPM（蓝）和NorHAPS（红）在2023年9月1日至12月15日的海冰预测表现。（a）海冰密集度平均绝对误差（MAE）的逐日演变；（b）东北航道（NEP）与西北航道（NWP）区域的MAE统计对比。

此外，动力降尺度在北极航道海冰演变与空间分布的预测中表现更优。以 2023年9月15日为例，NorHAPS相较NorCPM更准确地再现了东北航道（图2）和西北航道（图3）卫星观测所示的局地海冰结构与海冰边缘细节，可为普通商船航行提供关键的海冰外缘线参考信息。

图2. 东北航道关键海域海冰密集度的空间分布（2023年9月15日）。（a−d）卫星观测；（e−h）NorCPM预测；（i−l）NorHAPS预测。

图3. 西北航道关键海域海冰密集度的空间分布（2023年9月15日）。（a−d）卫星观测；（e−h）NorCPM预测；（i−l）NorHAPS预测。

研究还探讨了动力降尺度预测能力提升的可能机制：一方面，高分辨率有助于更准确地刻画局地海冰分布；另一方面，在热力过程方面有效缓解了NorCPM存在的“慢融化、快冻结”问题。研究指出，高分辨率动力降尺度有助于为北极航线规划和航行安全提供更为可靠的海冰预测支撑。

原文信息

关于期刊

JGR Atmospheres 发表能促进和改善我们对大气特性和过程的理解的原创研究文章，包括大气与地球系统其他组成部分的相互作用，以及它们在气候变化中的作用。

2024年影响因子：3.4

5年影响因子：4.4 从投稿到一审意见的中位数时间：57天

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