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user: 4. AD与北极海冰变化的数值模拟试验 CICE模式考虑的海冰参数化过程较为细致复杂，很多气候系统模式逐渐更多的使用CICE作为系统的海冰分量，本文利用CICE展开一系列试验进一步探究AD对北极海冰的影响。在利用模式模拟AD型大气环流对北极海冰变化的影响前有必要对模式的性能有一定的了解。年际变化的大气强迫下北极海冰的表现可以代表模式的整体水平，也就是用观测(接近观测)的大气强迫下模拟出的海冰与观测的海冰相比较来评估模式。图3为9月模式与观测海冰面积的比较。从图中可以看出，CICE模式结果与观测很接近，两者相关系数为0.94，模式模拟出了海冰面积长期变化趋势，对一些特殊年份也模拟较好(如：海冰范围最小的2012年)。 图3. 1979~2016年观测与模式9月海冰面积的比较(84.5˚N以北不计算) 考虑到海冰变化中热力和动力的耦合作用，简单起见，本文设计了纯AD型风场强迫试验(T5~T8)、气候态风场试验(T9~T12)，通过这两组试验与气候态标准试验(T0)、AD型大气强迫试验(T1~T4)相比较，进一步讨论与AD相关的动力和热力强迫对北极海冰变化的影响。模拟试验相关配置见表1。T0~T12都为气候态大气强迫试验，海洋强迫都是相同的，用一年的特定大气场进行循环强迫，得到该一年大气对应下海冰的稳定变化，这样就可以提取出海冰与相应大气状况的稳定联系。 Table 1 Configuration information of climatic state tes 编号 大气强迫配置 备注 气候态大气强迫标准试验 T0 1980~2009年气候态的大气变量 冷启动，运行30年 AD型大气强迫试验(T1~T4) T1 冬季AD正位相显著年平均的大气强迫 运行20年，初始场取自T0试验最后一年的海冰，相当于在T0结果上进行的试验 T2 冬季AD负位相显著年平均的大气强迫 T3 夏季AD正位相显著年平均的大气强迫 T4 夏季AD负位相显著年平均的大气强迫 纯AD型风场试验(T5~T8) T5 冬季AD正位相显著年平均的风场，其余大气变量与T0相同 运行20年，初始场取自T0试验最后一年的海冰，把T0强迫中的风场替换为AD型的风场 T6 冬季AD负位相显著年平均的风场，其余大气变量与T0相同 T7 夏季AD正位相显著年平均的风场，其余大气变量与T0相同 T8 夏季AD负位相显著年平均的风场，其余大气变量与T0相同 气候态风场试验(T9~T12) T9 风场采用气候态，其余大气变量与T1相同 运行20年，初始场取自T0试验最后一年的海冰，把AD型大气强迫试验中的风场换为气候态的(T0的风场) T10 风场采用气候态，其余大气变量与T2相同 T11 风场采用气候态，其余大气变量与T3相同 T12 风场采用气候态，其余大气变量与T4相同 表1. 气候态试验的配置信息 4.1. 正负AD型大气强迫与标准试验的比较 图4给出了冬季AD型大气强迫下(试验T1和T2)北极海冰密集度分布(与合成观测的SIC相比)，从图中可以看出，负位相AD强迫下大西洋扇区海冰密集度以偏小为主，正位相AD强迫下大西洋扇区海冰密集度以偏大为主。该结果与观测结果基本一致(图4(a)、图4(b))，冬季AD型大气环流与海冰密集度的这种联系是稳定的、真实的。模式能模拟出冬季AD型大气环流下北极海冰的基本分布，可以用模式进一步研究冬季AD型大气环流下北极海冰的密集度变化。 图4. 冬季AD型大气强迫下模式模拟的(d、e、f) SIC与合成观测的(a、b、c) SIC (a、d为正位相异常场；b、e为负位相异常场；c、f为正位相与负位相的差值场) 图5给出的是夏季AD型大气环流强迫下(试验T3和T4)模式模拟的夏季海冰密集度分布(与合成观测的SIC相比)，从图中可以看出，正位相AD强迫下模拟出了北冰洋内区及东格陵兰海密集度减小，与观测结果存在较大差距，可能暗示了夏季之前的海冰状况对夏季海冰变化有重要影响，其中可能包含了热力作用的影响。负位相AD强迫下模拟出了除东格陵兰海外北极大部分区域海冰密集度偏大，海冰分布外缘比海冰分布内区偏大更多，与观测结果较为相似。夏季正位相AD结果减去负位相AD结果看出海冰密集度除巴芬湾和东格陵兰海偏大外整体都偏小，凸显了正位相AD对海冰密集度的影响，与观测结果是一致的。用模式进一步研究夏季AD型大气环流下北极海冰的密集度变化也是可取的。 4.2. AD型大气环流中热力、风场动力强迫对海冰的影响 图6给出的是冬季AD型风场试验、气候态风场试验、AD型大气强迫试验对应海冰密集度的分布。从图中可以看出，在正负位相的AD型风场强迫下，海冰密集度的变化是相似的(图6(a)、图6(e))，都显示在海冰分布外缘的巴芬湾、东格陵兰海、巴伦支海、白令海的地区海冰密集度偏小，这说明冬季海冰密集度对AD型风场不敏感。将AD型大气强迫中的风场替换为气候态的风场后，海冰密集度分布与不替换AD型风场是很相近的，无论正位相(图6(f)、图6(g))还是负位相(图6(b)、图6(c))都如此，再次说 图5. 夏季AD型大气强迫下模式模拟的(d、e、f)夏季SIC与合成观测(a、b、c)的SIC (与图4类似) 图6. 冬季AD型风场试验、气候态风场试验、AD型大气强迫试验中SIC的分布(uvAD表示只有风场是AD型的，即AD型风场试验；uvCli表示只有风场是气候态的，即气候态风场试验；full表示所有大气强迫变量都是AD型的，即AD型大气强迫试验) 明风场的变化对海冰密集度分布的影响很小。换言之，冬季，AD型大气环流对海冰密集度产生影响的变量中风场的贡献不突出。此外，图6(d)与图6(a)，图6(h)与图6(e)的差异表明热力作用和动力作用是耦合在一起的，风场的改变同时改变了热力平衡。 从局部海区海冰密集度的变化可以看出风场的影响。负位相时，图6(a)~图6(c)相比较可以看出，AD型大气强迫下白令海附近、巴芬湾南部密集度的偏小主要由风场的影响所造成；正位相时，图6(e)~图6(g)相比较也可以得出与负位相情形下相同的结论；从正位相减去负位相的结果中可以看出(图6(i)~图6(k))，AD型大气强迫下新地岛西北角密集度偏小的原因在于风场的影响。此外，图6(l)与图6(i)非常接近，表明正位相与负位相相减后，减去了动力作用与热力作用的耦合部分，也就是单独的正位相或负位相影响下热力和动力是耦合在一起的，正负位相相减可以消除耦合部分的效应。 综合以上讨论，冬季，负位相的AD型环流影响下除了白令海南部海冰密集度增加外其余海区海冰密集度减小(主要包括巴芬湾南部、东格陵兰海、巴伦支海、白令海峡等)，这种影响主要由风场动力之外的大气强迫作用即热力作用造成，风场动力作用的影响很小局限于部分巴伦支海和白令海南部。 图7给出的是夏季AD型风场试验、气候态风场试验、AD型大气强迫试验对应海冰密集度的分布。从AD型的风场试验看出，正负位相情形下海冰密集度分布存在明显差异(图7(a)与图7(e))，且把AD型大气强迫场中的风场替换为气候态的风场后正负位相下海冰密集度的表现也存在明显差异(图7(d)与图7(h))，换言之，夏季的海冰密集度对AD型风场的变化是敏感的。图7(i)~图7(l)都显示相近的海冰密集度分布，从三个图可以确定，夏季正位相的AD型风场动力作用影响下东格陵兰海海冰密集度增大，其余海区海冰密集度偏小，图8的结果也能证明正位相的AD型风场动力作用的影响。图7(i)~图7(k)的比较还能得出，太平洋扇区边缘海和巴伦支海海冰密集度的偏小同时受到热力和风场动力的影响，正位相的AD时东格陵兰海海冰密集度偏大是风场的动力作用影响(热力作用导致海冰密集度偏小)，北冰洋内区海冰密集度的减小几乎就是风场的作用。 把AD型大气强迫场中的风场替换为气候态的风场后，海冰密集度分布总体上与不替换AD型风场是很相似的，正负位相下的表现都是如此(图7(b)、图7(c)和图7(f)、图7(g))，这表明，夏季热力作用对海冰密集度的影响也是明显的，正位相情形下热力作用使波弗特海南部和巴伦支海两区域海冰密集度偏小(图7(j))。AD型风场试验与AD型大气强迫试验的比较也能说明热力作用对海冰密集度的影响(图7(a)与图7(c)、图7(e)与图7(g)的风场是相同的)。 图7. 夏季AD型风场试验、气候态风场试验、AD型大气强迫试验中SIC的分布(与图6类似) 图8. 夏季AD型风场试验(a)与AD型大气强迫试验(b)冰速的分布(a、b都是AD正位相减AD负位相的结果) 综上所述，夏季，AD正位相的风影响下使除巴芬湾和东格陵兰海之外的海区海冰密集度减小，正位相的AD型环流对整个北极海冰密集度产生影响的主要贡献更多来自风场的作用，东格陵兰海、北冰洋内区海冰密集度的减小几乎就是风场的作用。正位相的AD型环流影响下热力作用对波弗特海南部和巴伦支海两区域海冰密集度的减小有主要作用。