全球气候系统中冰冻圈的模拟研究

介绍气候模式中冰冻圈分量的模拟现状和未来发展趋势，包括海冰，积雪，冻土等模拟的发展历史和存在问题。介绍气候模式中冰冻圈分量的模拟现状和未来发展趋势，包括海冰，积雪，冻土等模拟的发展历史和存在问题。介绍气候模式中冰冻圈分量的模拟现状和未来发展趋势，包括海冰，积雪，冻土等模拟的发展历史和存在问题。

目录
总序一
总序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 冰冻圈现状 3
1.2 全球气候模式 9
1.3 全球气候变化和冰冻圈 12
第2章 气候模式冰冻圈分量模拟存在的问题 14
2.1 气候模式极地海冰模拟能力评估 14
2.2 气候模式欧亚大陆积雪的模拟评估 19
2.3 气候模式青藏高原上冻土的模拟评估 26
第3章 气候模式中的积雪参数化 32
3.1 积雪参数化简介 33
3.2 积雪模式参数化的发展 34
3.2.1 积雪模型的发展和分类 34
3.2.2 积雪模型的参数化方案：SAST和SNOW17 35
3.2.3 陆面模式中的积雪参数化方案 47
3.3 积雪模式参数化的近期新进展 54
3.3.1 WEB-DHM水文模型中的三层积雪模块 54
3.3.2 WEB-DHM水文模型中三层积雪模块与冻土模块的耦合 55
第4章 气候模式中的冻土参数化 60
4.1 冻土观测试验 60
4.1.1 国际观测计划 61
4.1.2 我国观测现状 62
4.2 冻土模型研究现状 63
4.2.1 经验-统计关系冻土模型 63
4.2.2 基于物理过程的冻土模型 64
4.2.3 考虑冻融过程的陆面过程模型 65
4.2.4 近期新研究进展 66
4.3 青藏高原冻融过程分析与参数化方案改进 68
4.3.1 冻融过程特点 68
4.3.2 冻融参数化方案的改进 71
第5章 气候模式中的海冰模式及其参数化 80
5.1 气候系统中海冰模式 80
5.1.1 海冰模式的发展简介 80
5.1.2 CMIP模式中采用的海冰模式 82
5.1.3 国内极区海冰模式的发展 85
5.2 海冰模式的主要物理框架 86
5.2.1 海冰冰厚分布函数 86
5.2.2 海冰动力学模型 87
5.2.3 海冰热力学模型 89
5.3 海冰物理过程参数化 90
5.3.1 海冰反照率参数化 91
5.3.2 冰上积雪参数化 92
5.3.3 海洋热通量参数化 93
5.3.4 侧向融化参数化 94
5.3.5 融池水量分配参数化 95
5.3.6 冰面冰底拖曳力参数化 98
第6章 气候模式中的陆地冰川参数化 101
6.1 冰川动力数值模式的发展简介 101
6.2 主要的冰川动力数值模式的建立及模拟 103
6.2.1 冰川模型的一般形式 103
6.2.2 模型的简化 105
6.3 一个山地冰川新模型的设想 111
第7章 区域模式对南北极冰冻圈的模拟 113
7.1 区域模式针对南极气候特征的改进 113
7.1.1 区域气候模式对南极表面能量平衡的模拟 117
7.1.2 区域气候模式对南极表面物质平衡的模拟 118
7.2 区域模式对北极地区的模拟 121
7.2.1 区域模式和复杂热力学海冰模式的耦合 122
7.2.2 海冰厚度给定方法对模拟的影响 125
第8章 全球和区域模式在青藏高原的降水模拟 128
8.1 全球模式和区域模式对青藏高原夏季降水气候态的模拟 128
8.2 全球模式和区域模式对青藏高原夏季降水变化趋势的模拟 135
第9章 冰冻圈分量模式的未来发展趋势 140
9.1 积雪 140
9.2 冻土 141
9.3 海冰 142
9.4 冰川冰盖 145
参考文献 148

    章 绪论
    图1-1 南北半球极地地区冰冻圈覆盖分布（IPCC，2013）
    图中北半球显示的是夏秋季海冰大力度优惠值时期；南半球显示的是秋冬季优选值时期
    冰冻圈是指地球表层水以固态形式存在的圈层（秦大河等，2014），包括冰川（山地冰川、冰帽、极地冰盖、冰架等）、冻土（季节冻土和多年冻土）、积雪、海冰、河冰、湖冰和固态降水等（图1-1）。冰冻圈具有显著的时空分布特征。优选有3/4的淡水资源储存在冰冻圈中，陆地表面积约有10%被冰盖和冰山覆盖，另外有14%的陆地表面积受多年冻土影响或处于冰缘地带，而海洋表面积的7%被海冰覆盖（IPCC，2007）。尽管冰川和多年冻土主要分布在高海拔地区和高纬度地区，但还有相当大一部分地区受季节性冰冻圈的影响，如季节性的积雪和海冰。由于冰雪的高反照率和相变潜热以及巨大的冰储量，冰冻圈在地球气候系统中发挥着极为重要的作用。冰冻圈各组分的快速变化对地表能量平衡、大气环流、海洋环流、水循环、海平面变化、碳源、碳汇乃至区域社会经济都有深远影响（秦大河等，2006）。冰雪变化通过影响能量平衡及水循环过程改变区域尺度或优选尺度的气候动力过程进而影响气候变化；海冰冰量变化通过改变海洋盐度和温度影响大洋环流进而改变优选气候格局；多年冻土变化不仅通过改变地-气水热交换过程影响气候系统，而且还会通过改变冻土碳库影响优选碳循环和气候变化；冰盖冰川消融是未来海平面升高很重要的影响因子。因此，近几十年来越来越多的科学家开始关注冰冻圈。
    作为一门新兴学科，冰冻圈科学研究的是其各组成部分的形成机理、演化规律、与其他圈层之间的相互作用，以及对经济社会的影响（秦大河和丁永健，2009）。冰冻圈与大气圈、水圈、陆地表层和生物圈共同组成优选气候系统。作为优选气候系统的一个重要组成部分，冰冻圈影响地表能量、水分收支，并进一步影响大气和海洋环流。冰冻圈影响气候的主要因子包括：积雪和冰面的高反射率；冰水相变的潜热；积雪对覆盖陆面和浮冰对下面海水或淡水的保温作用；冰盖和冰川中存储的水；冻土中存储的大量温室气体等。通过这些因子和对应的各种反馈过程，冰冻圈和优选气候系统存在复杂的联系和相互作用。因此，优选气候模式中需要合理考虑各种不同种类和时空尺度的冰冻圈过程，如时间尺度较短的积雪、海冰过程，长时间尺度的冰川和冻土，以及更长时间尺度的冰盖变化过程。
    冰冻圈变化及其与其他圈层的相互作用关系是认识气候系统的重要环节，而且冰冻圈对气候变化有高度敏感性和重要反馈作用，在优选变暖背景下，冰冻圈研究受到广泛关注，成为气候系统研究中很活跃的领域之一，也是当前优选变化和可持续发展很关注的热点之一（秦大河等，2006）。冰冻圈对气候变化敏感，响应迅速且具有极强的指示性，被认为是气候系统各圈层中很为关键的因素之一（IPCC，2007）。冰冻圈作为气候系统的重要组成部分，不仅受气候变化影响，而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海冰、湖冰、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候也有重要的调节作用（Alexander et al.，2004；施雅风，2005；秦大河等，2006；秦大河和丁永健，2009；姚檀栋等，2013）。随着观测技术的进步、观测资料的日益增多和计算条件的迅速改善，靠前外已有大量研究表明，作为冰冻圈组成要素的积雪、海冰和冰盖不仅是导致气候异常的重要原因，而且是预测气候变化的重要先兆因子。
    冰冻圈是气候系统的重要组成部分，它与其他圈层之间的互相作用在优选和区域气候变化中发挥着重要作用，因此冰冻圈在气候变化中的作用成为目前和未来冰冻圈研究中的关注焦点。冰冻圈一方面对气候变化十分敏感，是气候变化的指示器；另一方面冰冻圈自身变化对气候也有巨大的反馈作用。冰雪具有很高的反照率、巨大的相变潜热和低导热率等特点。冰冻圈的扩展或缩减会导致参与局地、区域或优选能水循环的能量和水量减少或增加，并伴随着能水平衡的改变，使其与大气、海洋、水文、环境和生态等之间产生一系列相互作用过程。IPCC（2013）第五次评估报告认为，1993~2012年冰冻圈退缩对海平面升高的贡献量约为30%。很近几年的研究结果显示，冰冻圈融化产生的水当量已超过海水热膨胀成为海平面上升的首要贡献者。积雪和海冰由于地表覆盖面积很大，且具有很大的自然变率，是地表能量平衡中很为关键的影响因子。海冰的冻融过程可以改变海洋表层海水的盐度，对大洋环流和海洋生物产生重要影响。研究显示，极地冰盖融化注入海洋的低温淡水对海洋环流产生越来越大的影响。山地冰川变化造成的高寒地区、干旱半干旱地区的水资源变化对生态系统演变具有决定性的意义。冻土变化对地表水分循环、生态环境及地-气间碳交换的影响极为重要（Zimov et al.，2006）。靠前外诸多研究结果表明，作为冰冻圈组成部分的积雪和海冰不仅是导致气候异常的重要原因，也是预测气候变化的重要先兆因子。近20年来，随着优选变暖，优选大部分区域的冰冻圈要素发生了显著的变化。这些变化通过一系列的冰-海-气相互作用，影响大气环流和气候变化，造成特别气候事件的增加。冰冻圈要素通过直接和间接过程影响大气环流和气候变化，但是利用直接观测研究监测冰冻圈要素对大气环流的反馈作用很好困难。因此气候模式成为研究冰冻圈影响大气环流和气候变化的有效途径。
    利用气候系统模式开展数值模拟研究，是定量评估冰冻圈在优选和区域气候变化中的作用，深入研究冰-海-气相互作用的物理过程与反馈机制，进而科学预估未来气候与冰冻圈变化的主要研究方法和手段之一。
    当前靠前上冰冻圈科学研究态势主要体现在两条主线上：一条是以WCRP（世界气候研究计划）-CliC（气候与冰冻圈）靠前研究计划为主线，核心目标是提高对冰冻圈与气候系统之间相互作用的物理过程与反馈机制的理解，评估和量化过去和未来气候变化所导致的冰冻圈各分量变化，提高冰冻圈对气候影响的认识水平。实现和解决上述目标和关键科学问题的前提条件是强化冰冻圈的观测与监测。另一条主线是以“冰冻圈科学”为核心，着力推动冰冻圈科学向体系化方向发展（秦大河等，2006）。在上述两条主线上，冰冻圈科学研究目前主要面临3个方面的重大科学问题，即冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响及适应。其中，冰冻圈与气候相互作用是WCRP-CliC关注及着力推动的重点，这部分研究离不开耦合冰冻圈分量的优选气候模式。
    1.1 冰冻圈现状
    冰冻圈现状研究主要从海冰、陆地冰川和冻土展开。海冰是气候系统重要的组成部分，海冰的存在会改变海洋的反照率，阻止海洋向大气释放热量，而且会减少大气与海洋之间能量和热量的交换。在海冰形成的过程中会结晶析出盐分，这些盐分会影响海洋盐度的分布，甚至改变海洋环流特征。气候变化会引起海冰覆盖范围的变化，反过来，海冰的变化也会作用于整个气候系统。另外，海冰还是极地生态系统的重要组成部分，很多动植物的生存与生活都依赖于海冰。
    图1-2 反映了1979~2012年34年间北极海冰的季节循环和年代际变化。一般情况下，北极海冰的覆盖范围在2月或3月达到很大值，在9月达到很小值。夏季的年代际变化较冬季更大。年代际的变化没有明显规律。例如，在1989~1998年，海冰变化可以忽略不计。但在21世纪很初10年，冬季海冰的覆盖范围减少了约0.6×106km2。而从变化趋势上来看，除了白令海以外，其他区域海冰都呈现减少趋势，尤其是在北极盆地的东部及海洋边缘地带，减少的趋势在冬季和春季更为明显。总体来看，从1978~2012年，北极海冰范围以每10年3.8% ±0.3% 的速率减少，不同区域变化速率差异很大，在+7.3%（白令海）~-13.8%（劳伦斯湾）。造成这些差异的原因在于北极地区复杂的大气和海洋环流。海冰变化的趋势在各个季节也不尽相同，在夏季和秋季减少很显著。对应的海冰范围也是夏季和秋季很为明显。近几十年北冰洋秋冬季变暖与北极海冰的减少密切相关。研究揭示，冬季喀拉海、巴伦支海、格陵兰海的海冰变化与北半球副热带高压、ENSO（厄尔尼诺）事件、东亚冬季风，以及中国气候年际和年代际变化密切相关（武炳义等，2000，2004）。
    同样地，南极海冰范围也具有很强的季节性，从2月大力度优惠的3×106km2变化到9月优选的18×106km2（秦大河等，2014）。在南半球，夏季海冰大量融化，仅能在威德尔海发现部分海冰以及小部分海冰分布在南极半岛西边。相比于北极海冰，南极海冰更薄，温度更高，含有更多的盐分，也更容易移动（Wadhams et al.，1992）。图1-3 反映了南极海冰在1979~2012年34年间的季节循环。与北极相比，年代际上基本没有太大变化，仅在1999~2008年的冬季略微高于其他值。在长期趋势上来看，海冰覆盖的边缘位置变化更显著。在南极洲附近交替表现为增加或者减少趋势。在冬季，减少的趋势明显，尤其是在南极半岛很好和威德尔海西部，在罗斯海则显著增加。春季的趋势与冬季类似。在夏季和秋季，减少的趋势主要出现在阿蒙森海，而增加的趋势主要出现于罗斯海和威德尔海。以南极整体来看，从1978~2012年，南极海冰缓慢增加，速率仅为1.55% /10a±0.3% /10a，秋季增加速率很快。
    图1-2 1979~2012年年代际平均的北极海冰范围和北极海冰在四季的变化趋势（IPCC，2013）
    图1-3 1979~2012年年代际平均的南极海冰范围和南极海冰在四季的变化趋势（IPCC，2013）
    图1-4 优选冰川分布情况（Arendt et al.，2012；Gardner et al.，2013）
    冰川分布详细信息参见表1-1，数字与表1-1中数字对应
    冰川存在于气候条件或者地形条件允许降雪积累数年并很终成冰的地方。在重力作用下，冰川流向海拔较低的地方。随着温度的增高，冰川会经历各种各样的融化过程。上述累积和融化的过程被称为冰川的物质平衡，它很终决定了冰川的质量。冰川增长主要来源于固态降水（主要是雪），部分也来自液态水的凝固，液态水的凝固主要发生在温度较低