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 100081）

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GLOHR/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1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

1.1 美国海军研究实验室北极冰盖现报/ 预报系统

北极冰盖现报/预报系统（Arctic capnowcast/forecast system,ACNFS）由美国海军研究实验室（naval research laboratory,NRL）开发，由洛斯阿拉莫斯国家实验室海冰模式（community ice code,CICE）、迈阿密大学混合坐标海洋模式（HYbrid coordinate ocean model，HYCOM），以及美国海军耦合海洋数据同化系统（navy coupled ocean data assimilation system，NCODA）所组成。

该系统数据交换模块基于地球系统模式框架（earth system modeling framework,ESMF），系统水平分辨率随着地理纬度变化，极点附近区域水平分辨率为3.5 km，南边界40°N 附近水平分辨率为 7 km。海冰模式CICE 改进了海冰热力学、动力学参数化方案和基于能量的造脊过程，并具有多类冰厚的预报能力。海洋模式HYCOM 使用三角网格，在海洋内区采用等密度面坐标，在沿岸区域采用地形跟随坐标，在上混合层采用z 坐标，并加入了气候态径流月数据以及潮汐数据。同化系统NCODA使用三维变分方法同化了卫星观测高度计数据、海冰密集度、海表面温度数据，以及来自投弃式温度剖面测量系统（expendable bathy thermograph，XBT）、温盐深仪（conductivity,temperature,and depth，CTD）、自沉浮式剖面探测（Argo）浮标、锚定浮标等现场观测设备实时获取并传输的海洋垂向温盐数据。

ACNFS 系统使用美国海军业务化全球大气预报系统（navy operational global atmospheric prediction system,NOGAPS）提供的0.5°大气强迫场和1/12°全球HYCOM 模式提供的海洋开边界条件驱动，ACNFS 系统各组成模式间传递的变量关系如图1 所示[6]。该系统在海军海洋办公室（naval oceanographic office,NAVOCEANO）业务化运行，每天产生当天现报和未来5 d 的预报，产品包括海冰密度、厚度、漂移路径、海流以及三维温盐数据。2017 年9 月起，ACNFS 被采用相同模式配置的全球预报系统GOFS 3.1取代。

图1 ACNFS 系统各组成模式间传递的变量

1.2 挪威南森环境与遥感中心/挪威气象 预报系统

TOPAZ4 是一个覆盖北大西洋及北冰洋的区域性海洋/海冰实时预报系统，由挪威南森环境与遥感中心开发，其海洋模式选用混合坐标海洋模式HYCOM，海冰模式选用Hibler 79 类型的两类冰热力学及弹-黏-塑流变学模式。系统大气强迫场来自欧洲中期天气预报中心（European centre for medium-range weather forecasts,ECMWF）发布的实时高分辨率（0.5°）大气预报数据。系统采用集合卡曼滤波同化方法同化了海平面高度异常、海表面温度、海冰密集度和海冰漂移等准实时卫星资料以及海洋垂向温盐廓线潜标观测等信息。

TOPAZ4 模式区域参见图2。

图2 TOPAZ4 模式区域

TOPAZ4 系统在挪威气象局每周业务化运行1次，可提供实效达10 d 的北极海冰预报信息，包括海冰密集度、海冰厚度和海冰漂移速度等产品。上页图2 中区域5 所示为北极预报海域[7]，在该海域产品水平分辨率可达12.5 km。

TOPAZ4 是欧洲哥白尼海洋环境监测服务（the Copernicus marine environment monitoring service,CMEMS）北极海冰-海洋预报信息的官方提供者，已被欧洲多个研究机构用作大西洋及北冰洋海洋/ 海冰状况的数值预报参考。其产品有助于用户了解北极大西洋一侧海域（特别是喀拉海、巴伦支海以及挪威北部沿海重要港口区域）的海冰发展情况，为在挪威附近海域航行的船只提供海冰预报参考。

1.3 法国墨卡托海洋中心全球海冰预报系统

2016 年10 月19 日起，在欧洲哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）框架下，法国墨卡托海洋中心发布了新的全球（1/12）°高分辨率实时预报系统GLO-HR。该系统内核版本名为PSY4V3，是CMEMS V4 阶段的核心模型之一。墨卡托海洋中心全球分析和预测系统过去各个里程碑的时间轴如 图3 所示[8]。该系统采用NEMO v3.1 海洋模型，其物理配置基于三极ORCA12 网格，赤道区域水平分辨率为9 km，在南极沿岸区域水平分辨率可达 2 km，垂直方向采用z坐标，垂向分层 50 层。动量平流项采用Arakawa 和Lamb 提出的能量和熵守恒方案计算，示踪剂的平流项用总方差递减（TVD）平流方案计算。海洋模式的大气场强迫取自欧洲中期天气预报中心综合预报系统（integrated forecast system,IFS）预报数据，动量和热湍流表面通量由Large 和Yeager 体公式计算，向下的长波和短波辐射通量和降雨通量也被用于地表热量和淡水收支。

图3 墨卡托海洋全球分析和预测系统过去各个里程碑的时间轴

PSY4V3 系统采用单变量单数据同化方案同化了OSISAF 在2 个半球的海冰密集度。与之前的系统相比，PSY4V3 系统海冰模拟有明显的改善，更接近观测结果，能真实再现海冰的季节循环。数据同化方案SAM 使用Lellouche 等人描述的增量分析更新（incremental analysis update,IAU）方法在模式中对海冰进行校正，考虑到海冰厚度恒定，海冰体积会根据这一修正进行调整。目前该系统没有同化任何海冰厚度观测数据，因为卫星监测海冰体积存在较多不确定性，故难以可靠评估模拟的海冰体积。

1.4 加拿大气象和环境预测中心全球海冰 预报系统

加拿大气象中心业务化运行的全球海冰预报系统（global ice ocean prediction system,GIOPS）由加拿大环境部、渔业与海洋部、国防部等多组织成立的加拿大环境耦合预测系统业务网络与法国业务海洋学机构（墨卡托海洋中心）合作开发，自2011 年起业务化运行，系统水平分辨率0.25°，提供未来10 d 的海冰、海洋要素预报。

最新版本的GIOPS 由基于欧洲海洋模拟内核NEMO v3.1 的海洋模式与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室海冰模式（CICE）组成，采用全球确定性预测系统(GDPS)的最底层大气预报场驱动。GIOPS 每日发布全球0.25°海冰分析和未来10 d 的日平均和3 h 平均的海表面要素产品。其海冰密集度7 d预报产品的均方根误差如图4 所示[9]。

图4 海冰密集度7 d 预报的均方根误差空间分布

GIOPS 的海冰模块采用CICE 4.0 模式，其海冰动力学通过使用弹-黏-塑性方法显式求解二维海冰动量方程来计算速度场，海冰热力学通过求解热扩散方程计算雪和冰的生长/融化速率以及垂直方向的温度分布。海冰模块上边界与大气交换净热通量，下边界与海洋交换热通量，侧向融化取决于浮冰的平均直径。其模式亚网格采用10 种类型冰厚分布处理算法。预报系统采用多变量海洋资料同化分系统（SAM2）准实时同化了卫星观测海表面高度异常、海表面温度以及潜浮标观测的海洋垂向温盐剖线数据，采用三维变分同化算法准实时同化了卫星观测海冰密集度数据。

1.5 丹麦气象研究所北极和北大西洋海冰 预报系统

丹麦HYCOM-CICE 海冰预报系统是美国ACNFS系统的简化版本，由美国海军研究实验室（NRL）开发。该版本水平分辨率10 km，模式区域覆盖北冰洋和大西洋至约20° S 处。海冰模式CICE 配置4 层海冰热力学层和1 层雪层。海洋模式HYCOM 设有40 个垂直层，引入了潮汐模块，通过修改输入辐射方案纠正了大气强迫和模型之间的冰盖不一致性。

该模型1997 年初始化，模式区域在巴伦支海峡和南大西洋设有2 个海洋开边界，边界上没有规定体积运输[10]。其采用8 组分的潮汐强迫场、丹麦气象局高分辨率有限区域模式（high resolution limited area model,Hirlam）的短期大气强迫场、ECMWF的中期大气强迫场以及Levitus 气候态的边界条件驱动。该模型使用10 d 间隔松弛逼近方案同化了卫星观测海冰密集度数据，使用30 d 间隔松弛逼近方案同化了卫星观测海表面温度数据和气候态海洋盐度数据。该系统每天输出2 次66 h 的海洋环境预报产品，包括海冰密集度、海表面高度、有效波高、波周期以及三维的海洋温盐流场等要素。图5 显示了 HYCOM-CICE 模拟的2004 年至2013年平均海冰天数。

图5 HYCOM-CICE 模拟的2004 年至2013 年平均海冰天数

2 我国极地海冰预报系统

国家海洋环境预报中心于2009 年引进通用环流模式MITgcm，采用海冰-海洋双向耦合，选取泛北极为模式区域建立了北极冰海耦合数值模型并开展模型评估实验，发现该模型能合理地模拟北极海冰的季节和年际变化[11]，证实了该模式具有较好的北极海冰数值模拟能力，可作为开展北极海冰短期预报研究的数值基础。2010 年春季初步搭建起第1 代北极海冰数值预报系统，该系统选取美国国家环境预测中心NCEP 的全球预报系统GFS 大气预报数据为模型强迫场。自2010 年第4 次北极科学考察开始，该系统开始为中国北极科学考察队提供北极海冰数值预报产品。2012 年，该系统实现了采用松弛逼近方法同化卫星反演海冰密集度数据的初始化优化技术[12]，经过海冰密集度卫星数据的校正，该预报系统对海冰密集度的预报效果有了进一步的提高。

从2015 年开始，国家海洋环境预报中心与德国阿尔弗雷德魏格纳极地与海洋研究所建立了长效合作机制，双方共同研发极地环境多参数数据同化技术。双方基于集合卡曼滤波算法开展了海冰密集度数据同化、海冰厚度数据同化、海表面温度数据同化和集合大气强迫扰动等一系列同化算法研 究[13-18]，在此基础上建立了新一代的北极海冰短期预报系统ArcIOPS[19-20]，并于2017 年投入业务化应用。系统每天自动运行，提供未来7 d 北极海冰和海洋状态预报，如图6所示。

图6 北极海冰短期预报系统（ArcIOPS）架构图

ArcIOPS 系统目前有2 个版本，低分辨率版本水平分辨率为18 km，高分辨率版本水平分辨率为4.5 km。受制于计算资源限制，目前业务化运行的为低分辨率系统。ArcIOPS 系统海冰模块基于Hibler 79 零层冰/雪热力学模型、黏-塑性流变学模型构建，目前已实现卫星观测海冰密集度、海冰厚度以及无冰区海表面温度数据的实时同化。经过中国第8 至12 次北极科学考察中的实际应用证实，系统能有效融合北极海冰密集度、海冰厚度和海表面温度等卫星观测信息，对海冰密集度、海冰厚度和海冰漂移等变量的7 d 预报能力有相应的保证。ArcIOPS 系统预报产品每天发布在中国海洋预报网冰上丝绸之路平台，如下页图7 所示（https://www.oceanguide.org.cn/IceIndexHome/DensityIce）。

图7 2022 年6 月27 日00 时起报未来24 小时北极海冰厚度分布

与北极不同，南极大陆被广阔的南大洋所包围，地处大气-海洋-海冰强耦合区，南极海冰变化受风场、海洋流场等动力学要素影响较大，海洋开边界条件在较长时间尺度上制约着南极海冰的预报能力，利用区域模式准确模拟南极海冰存在巨大挑战。此外，在南极大陆近岸地区，海冰的变化还受局地复杂地形、下降风以及冰架等其他因素的影响，海冰的模拟应尽可能多地包含多圈层关键物理过程，技术难度高。

国家海洋环境预报中心凭借多年来在北极海冰预报系统研发方面的研究基础和技术积累，于2020 年正式启动南极海冰预报系统研发，2021 年中顺利完成了预报系统模型搭建、参数调试、同化模块的构建以及预报结果的检验等工作。新建设的南极海冰短期预报系统SOIPS 基于MITgcm 模式和PDAF 并行数据同化框架建立，环南极各主要冰架的下界面作为热力学边界条件也参与海洋模式计算。系统预报产品水平分辨率为18 km，时效7 d，产品包括环南极海冰密集度、海冰厚度、海冰漂移及海冰辐合率等要素。

SOIPS 系统采用12 个集合单元的集合卡曼滤波方法同化了每日AMSR2 海冰密集度观测产品，如下页图8 所示，针对南极近岸复杂的地形特点，发展了一种可以根据海冰密集度观测数据数量动态调整局地化半径的同化方案。该方案有效地提升了同化模型在近岸低海冰密集度海域（如戴维斯海、普里兹湾和宇航员海）的海冰同化性能。SOIPS 系统在2021 年底试运行，为中国第38 次南极科学考察提供全南极海冰预报服务。

图8 南极海冰短期预报系统SOIPS 预报的海冰密集度与观测对比图

由于南极海冰多为一年冰，海冰的生消受表层海温变化影响很大，而卫星反演海表面温度观测资料已比较成熟，下一步将在SOIPS 系统中引入海表面温度观测资料同化，通过订正海洋上层海温的模拟偏差进而提高南极海冰的预报准确率。未来，随着海冰厚度、冰上积雪厚度等更多卫星观测要素产品的发展成熟，SOIPS 系统可以实现海冰-海洋多观测要素的协同同化，预报水平也将会得到进一步提升。

3 结语

目前我国的极地大气模式和极地海冰-海洋模式是分别独立运行的，然而极地气-冰-海界面的通量交换（热通量、辐射通量、动量通量等）将三者紧密地联系起来，对其相互作用过程的描述是各个分量模式目前所欠缺的。同时，对于北极航道复杂环境中的航行保障，要求数值模式提供高分辨率、种类丰富的预报产品，对不同冰区和不同航段能够提供有区分性、有针对性的预报产品。此外，由于极地表层冰雪环境的特殊性，适用于中低纬度地区较为成熟的天气海洋数值预报模式不能直接用于极地地区，需要在物理过程参数化方案、模式网格设计等方面作进一步改进，使模式能够适用于极地地区。目前，极地天气、海冰海洋的预报时效一般为1～2 周。未来随着极地科考和航运保障需求的不断增长，对预报时效也提出了更高要求，需要数值模式能够提供更长时间的预测产品。

我国北极海冰短期预报系统ArcIOPS 使用集合卡曼滤波同化技术，尽可能地融合多源观测数据，提升数值预报系统初始场质量，改进海冰短期预报效果，在国际上处于先进水平。而由于计算能力的限制，ArcIOPS 高分辨率版本尚未投入业务化运行，目前的业务化版本不具备分辨海洋中尺度过程的能力。此外，尽管我国极地环境数值预报取得了较大进步，但业务化极地大气模式和极地海冰-海洋模式是分别独立运行的，导致海冰数值预报系统缺失气-冰-海界面部分耦合过程，海冰预报产品仍存在系统性的模拟偏差。解决这个问题的一个关键是改进耦合界面关键物理过程参数化方案，建立极区气-冰-海全耦合数值预报系统。研发极地天气和海冰-海洋预报模式及对应的资料同化技术和模式耦合技术，将会是一个长期的过程，需由专业团队分工协作并进行大量基础研究，更需要稳定的政策和经费支持。基于以上问题，未来将从以下方向发展极地海冰预报系统：

（1）发展更具包容性的海冰数值模式。海冰的变化非常复杂，尽管可能存在技术性难度，但仍应尽量将海冰物理过程的众多参数法方案选项集中纳入同一个模型框架下，模型框架的包容性有利于更好地理解相同物理过程的替代机制。

（2）发展数据同化技术和集合预报技术。使用先进的同化技术（如集合卡曼滤波或四维变分同化等技术），尽可能地融合多源观测数据，使模式初始场更接近真实场，是改进极地海冰短期预报效果的一个重要方向。

（3）发展分量模式的耦合技术。综合考虑极地气-冰-海的相互作用多尺度物理过程，研究极地气-冰-海模式全耦合及界面参数化技术，实现极区全耦合数值模式气-冰-海界面关键物理过程的完整性，进而从整体上提升极地海冰预报准确性。