未來中國近海海冰變化特征的預估研究

祖子清，凌鐵軍，張蘊斐，劉煜，唐茂寧

(國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081)

未來中國近海海冰變化特征的預估研究

祖子清，凌鐵軍，張蘊斐，劉煜，唐茂寧

(國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081)

基于耦合模式比較計劃第五階段（CMIP5）的全球氣候預估數據，分析了黃、渤海區域內海表面2 m氣溫的增量，并將該增量疊加在1978—2008年的再分析氣象場上，驅動海冰-海洋耦合模式，對2015—2045年黃、渤海的海冰變化特征進行了預估。結果顯示：在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5 4種排放情景下，遼東灣、渤海灣、萊州灣和黃海北部4個海灣的海冰均呈現顯著減少的趨勢。但隨著排放增多，4個海灣的海冰并非單調的減少，而在RCP4.5下減少最多，RCP6.0和RCP8.5次之，RCP2.6最少。對4種情景下的海冰冰情進行平均，可以發現4個海灣結冰面積依次減少438、121、23和84 km2；結冰范圍依次減少9、7、2和7 nmi（海里，1 nmi=1.852 km)。就整個黃、渤海而言，未來31 a內結冰面積減少24%，結冰范圍減少19%，持續天數縮短10%。

耦合模式比較計劃第五階段；渤海和黃海北部；未來海冰預估；2 m氣溫

1 引言

渤海和黃海北部是我國邊緣海中唯一的結冰海域，也是全球緯度最低的結冰海域之一。同時，黃、渤海是我國重要的經濟區，因此海冰對航運、海上油氣勘探和生產以及水產養殖均存在不同程度的影響[1]。另外，海冰是氣候系統中的重要成員，對全球氣候具有調制作用，其自身也受到氣候變化的顯著影響[2]。因此開展未來海冰的預估工作，無論對于社會生產還是理論研究，都具有重要的意義。

渤海和黃海北部的海冰受到西伯利亞高壓[3]、太平洋副熱帶高壓[4]和太陽周期變化[5]等多種氣候因素的影響，呈現了多時間尺度的變化特征[6]。在全球變暖的背景下，黃、渤海冬季的氣溫也呈現出明顯的變暖趨勢。在1951—2010年內，后30 a較前30 a氣溫升高了1.6°C。受其影響，黃、渤海海冰的冰情等級下降了0.6級[7]。政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）第五次評估報告指出，相對于1850—1900年，在多數溫室氣體排放情景下，21世紀末全球表面增溫可能超過1.5℃[8]，黃、渤海的海冰很可能會受到顯著的影響。但是對于未來黃、渤海海冰的變化特征，至今還鮮有相關的研究。耦合模式比較計劃第五階段（CMIP5）預估了不同排放情景下，未來全球氣候的變化。本文擬將CMIP5的預估數據通過動力降尺度方法，獲得高時空分辨率的氣象強迫場數據，并驅動海冰-海洋耦合模式對未來黃、渤海的海冰進行預估。

2 模式與數據

對于海冰的回報和預估，本文使用了國家海洋環境預報中心研發的多類冰-海洋耦合模式。其中海洋模式為三維Princeton Ocean Model（POM），海冰模式為海冰熱力-動力模式。該模式經過多年業務化運行與改進，對黃、渤海海冰模擬與預報均具有較高的能力。Liu等[9]也利用該模式開展了13 a（1997—2009年）的連續回報實驗，結果顯示該模式對于黃、渤海的海冰具有較高的預報技巧。在本研究中，模式的設置與Liu等[9]相同。模式的研究區域為[117.5oE，127oE]×[37oN，41oN]（見圖1中“R1+ R2”），海冰模式和海洋模式的水平分辨率均為2′× 2′（3.7 km×2.8 km），因此計算格點為286×121。海洋模式的積分時間步長外模為20 s，內模為10 min；海冰模式的積分時間步長為10 min。海冰模式與海洋模式同步耦合。耦合模式讀入逐小時的氣象強迫場，并線性插值為10 min間隔。海冰模式每隔10 min計算一次海面熱通量，并傳遞給海洋模式。海冰和海洋模式每隔10 min分別計算應力項。海冰模式向海洋模式傳遞冰密集度和冰速，用于計算海洋模式的上表面熱通量和應力；海洋模式向海冰模式傳遞第一層的海溫和流速，用于計算海冰模式的海面熱通量各項和冰-水界面的應力。

對于歷史模擬實驗，本文對NCEP-Reanalysis 2進行動力降尺度，獲得了1978—2008年中國海高分辨率氣象場數據。其中動力降尺度使用了MM5模式，該模式曾被廣泛的用于動力降尺度研究，并顯示了良好的性能[10-12]。重構的氣象場數據包含向下短波輻射、向下長波輻射、2 m處氣溫和濕度、10 m高風速、海平面氣壓和表面氣壓等變量。利用該氣象數據強迫上述多類冰-海洋耦合模式，進行回報實驗，獲得了1978—2008年逐日冰類型、冰厚和冰密集度等數據。

圖1 本文的研究區域（“R1+R2”為模式積分區域，“R1”為渤海和黃海北部，“R3”為遼東灣）

對于未來情景下的氣候預估，本文使用了CMIP5多個模式的預估數據。模式名稱如表1所示，模式設置及其他相關信息請參考網站：http:// www-pcmdi.llnl.gov/。CMIP5的預估情景包含不同的典型濃度路徑（RCP）：RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5，分別對應在2100年達到的輻射強迫約為2.6、4.5、6.0和8.5 W/m2，反應了不同的溫室氣體排放水平。渤、黃海的海冰與其上的2 m氣溫顯示了較好的相關關系（見3.1節），因此對CMIP5數據集中每個模式每個情景的數據，本文逐一提取了黃、渤海范圍內（[117.5oE，125.5oE]×[37oN，41oN]，圖1中的“R1”）2 m氣溫的時間序列（2006—2045年），然后計算相對于2006—2014年，2015—2045年2 m氣溫的平均增量（見表1）。該溫度增量被近似作為2015—2045年相對于1978—2008年的2 m氣溫增量，疊加在上述歷史高分辨率氣象強迫場上，以驅動海冰-海洋耦合模式，獲得各模式各情景的海冰預估數據（見圖2）。需要說明的是，將CMIP5數據中2015—2045年2 m氣溫相對于2006—2014年的增量，近似作為相對于歷史情景數據（1978—2008年）的增量，其中必然引入誤差。然而該誤差顯著的小于直接計算CMIP5數據中2015—2045年相對于歷史回報數據2 m氣溫增量所引入的誤差，因為后者引入了模式誤差。

本文選用了4個變量作為衡量海冰變化的指標：1）結冰面積（ice area，單位：km2），即結冰格點以面積為權重進行加權求和；2）結冰范圍（ice extent，單位：nmi），即從某個海灣灣底沿海灣中軸線到海冰外緣線的距離；3）持續天數（lasting days，單位：d），為從前年11月—次年3月，某海灣內存在海冰的天數；4）無冰年數（years without ice，單位：a），即研究時段內，持續天數為零（年內沒有海冰生成）的年數。

圖2 未來海冰預估的流程圖

3 未來海冰的變化特征

3.1 海冰對2 m氣溫增溫的響應

如引言所述，黃、渤海的海冰受到多種氣候因素的影響，而這些因素最終通過其上的大氣或周圍的海洋影響海冰。前人研究表明海冰受到其上大氣的顯著影響[13]。本文首先檢驗了2 m氣溫對海冰生消過程的影響，以驗證上述疊加2 m氣溫增量的有效性。如圖3所示，遼東灣（如圖1中“R3”所示）海冰的結冰范圍與其上的2 m氣溫（坐標軸已上下翻轉）呈現了基本反向的變化趨勢。兩者的相關系數達到-0.80（接近武晉雯等[13]文中的-0.815），通過了99%的信度檢驗。其他海灣結果類似，此處不再給出。這說明2 m氣溫對海冰存在顯著的影響，因此后文中將2 m氣溫增量作為未來氣候變化的信號，加入到歷史強迫場中，并依此進行未來海冰的預估研究，是合理的。

表1列出了各情景各模式中，相對于2006— 2014年，2015—2045年內2 m氣溫的平均增量。增溫幅度為-0.4—1.7℃。平均而言，RCP2.6情景下，增溫幅度最小，為0.57℃；RCP4.5情景下最大，為0.87℃；RCP6.0和RCP8.5增溫幅度相近，分別為0.77℃和0.76℃。這說明隨著溫室氣體排放的增大，黃、渤海的2 m氣溫并非單調增大，而是呈現了非線性的特征，比如最大增溫對應中等排放水平的RCP4.5情景。

本文將表1所示的16個增溫情景疊加到歷史強迫場的2 m氣溫上，積分海冰-海洋耦合模式，得到了在不同增溫幅度下海冰的變化情形(見圖4）。總體而言，4個海灣的海冰隨著2 m氣溫的增加，呈現單調減少的趨勢。各海灣海冰增加和減少的最大速率分別對應2 m氣溫降低0.4°C和升高1.7°C的情形，因此海冰在未來情景下的變化范圍也由這兩種情形給出。相對于歷史模擬，未來遼東灣海冰的變化最為顯著，其結冰面積的變化區間為增加14%至衰減45%，結冰范圍由增加7%至衰減27%，持續天數由延遲到75 d至縮短為57 d（歷史情形為73 d）；另外，在未來情景下，遼東灣每年均有海冰生成，因此無冰年數均為0，沒有變化。渤海灣的結冰面積變化區間為增加25%至衰減64%，結冰范圍為增加15%至衰減50%，持續天數由延長到29 d至縮短為12 d（歷史情形為24 d），無冰年數由減少到4 a至增加為18 a（歷史情形為6 a）。萊州灣結冰面積的變化范圍為增加33%至衰減75%，結冰范圍為增加22%至衰減63%，持續天數由延長到12 d至縮短為2 d（歷史情形為9 d），無冰年數為減少到16 a至增加為26 a（歷史情形為19 a）。黃海北部海冰的變化特征與渤海灣類似，其結冰面積的變化范圍由增加18%至衰減58%，結冰范圍由增加18%至衰減46%，持續天數由延長到41 d至縮短為23 d（歷史情形為38 d），無冰年數由縮短為1 a至增加為7 a（歷史情形為2 a）。就相對變化率而言，緯度越靠南的海灣受2 m氣溫增溫的影響越強；而對于海冰自身的變化量而言，緯度越靠北的海灣海冰衰減的量值越大。

圖3 1978—2008年遼東灣結冰范圍（紅線和左側坐標軸）和2 m氣溫增溫（藍線和右側坐標軸）

3.2 海冰對未來排放情景的響應

表1列出了各排放情景下，9個模式對未來30 a 2 m氣溫增量的預估結果。本研究將各個模式的結果分別疊加到1978—2008年的歷史強迫場上，分別驅動海冰-海洋模式，給出各排放情景下海冰的預估結果。最后將同一排放情景下的9個海冰預估結果進行平均，作為該排放情景下未來海冰的預估結果。圖5分別顯示了歷史情形（“HISTO”）、RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下，海冰的結冰面積、結冰范圍、持續天數和無冰年數。總體而言，隨著溫室氣體排放量的增多，海冰整體呈現減少的趨勢，同時該趨勢也呈現了一些復雜的特征。

表1 2015—2045年與2006—2014年兩個時段內渤海和黃海北部2 m氣溫的差值（研究區域為[117.5oE，125.5oE]×[37oN，41oN]，即圖1中的“R1”，單位：oC）

對結冰面積而言（見圖5a），遼東灣海冰的量值減少最為顯著。相對于歷史情形，各排放情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5）依次減少17%、26%、22%和23%。但是萊州灣海冰的相對變率最為顯著，各排放情景下依次為30%、47%、40%和43%。一個有意思的現象是，黃、渤海的海冰并非排放越多，減少越多，而是在RCP4.5情景下達到最小值，之后隨著排放的增多，海冰反而增加。實際上，通過診斷2 m氣溫增溫可以發現，RCP4.5下增溫最多（0.87oC），這導致了該情景下海冰衰減較多，而RCP8.5和RCP6.0相對于RCP4.5增溫減小，所以海冰也隨之增加。

表2 渤海和黃海北部海冰的總體變化特征

圖4 2015—2045年海冰指標隨2 m氣溫增溫的變化

圖5 2015—2045年歷史情形及4種排放情景下的海冰指標

結冰范圍呈現了類似的結果（見圖5b）。相對于歷史情景，遼東灣的結冰范圍在各排放情景下，依次減少11%、16%、14%和14%。萊州灣結冰范圍的相對變化率依然最為明顯，各情景下依次減少23%、35%、30%和32%。同樣，4個海灣的結冰范圍在RCP4.5情景下衰減最多，之后隨著排放的增多，2 m氣溫增溫減小，海冰也隨之增加。

對持續天數而言（見圖5c），遼東灣的變化最為顯著：歷史情形下為73 d，在各排放情景下依次縮短為67 d、64 d、66 d和66 d。其他3個海灣的持續天數平均縮短4—5 d。同樣，各海灣的持續天數在RCP4.5情景下最短，RCP6.0和RCP8.5次之，RCP2.6下最長。

在各情景下，遼東灣的無冰年份沒有變化，均為0，說明各情景下遼東灣每年均有海冰生成（見圖5 d）。渤海灣的無冰年份由歷史情形下的6 a，在各排放情景下分別增加為10 a、12 a、12 a和12 a；萊州灣由19 a，在各情景下分別增加為23 a、24 a、24 a和24 a；黃海北部在各情景下由2 a分別增加為3 a、4 a、4 a和3 a。其中萊州灣和渤海灣的無冰年數在RCP4.5下最多，而黃海北部在RCP6.0下最多。

最后本文將各排放情景下的海冰指標進行等權重平均，得到對未來31 a海冰變化的預估，結果如表2所示。相對于歷史情形（1978—2008年），遼東灣、渤海灣、萊州灣和黃海北部未來的結冰面積將依次減少438 km2、121 km2、23 km2和84 km2；結冰范圍將依次減少9 nmi、7 nmi、2 nmi和7 nmi；持續天數將依次減少7 d、5 d、3 d和5 d；無冰年數將依次增加0 a、5 a、5 a和1 a。就整個黃、渤海而言，相對于歷史情形，未來的結冰面積由2 728 km2減少至2 062 km2，衰減24%；結冰范圍由135 nmi減少至110 nmi，衰減19%；持續天數由73 d縮短至66 d，縮短10%（由遼東灣的海冰決定）。

4 結論

本文診斷了CMIP5數據集中黃、渤海區域內2 m氣溫的增量，然后將其疊加在1978—2008年的氣象場上驅動海冰-海洋耦合模式，對2015—2045年內黃、渤海的海冰變化特征進行了預估。首先本文檢驗了2 m氣溫與遼東灣海冰的相關性，結果顯示兩者存在較高的相關性，其相關系數為-0.80。這說明2 m氣溫對海冰的生消過程存在重要的影響。因此將2 m氣溫增量作為未來氣候變化的信號，加入歷史強迫場驅動模式進行海冰的未來情景預估，是合理的。隨著2 m氣溫增溫的升高，黃、渤海4個海灣的海冰均呈現單調減少的趨勢，且變化的范圍也較為顯著。具體而言，遼東灣、渤海灣、萊州灣和黃海北部海冰結冰面積的變化范圍分別為-45%—14%，-64%—25%，-75%—33%和-58%—18%（負值和正值分別對應衰減和增加的百分比）。就相對變化率而言，緯度越靠南的海灣受2 m氣溫增溫的影響越顯著；而緯度越靠北的海灣海冰衰減的量值越大。

在4種排放情景下，遼東灣、渤海灣、萊州灣和黃海北部4個海灣的海冰均呈現減少的趨勢。但隨著排放的增多，4個海灣的海冰并非單調的減少，而是RCP4.5下衰減最強，RCP6.0和RCP8.5次之，RCP2.6最弱。這可歸因于黃、渤海2 m氣溫增溫對排放增加的非線性響應。對4種情景進行平均，可以發現在未來31 a內，4個海灣結冰面積將依次減少438 km2、121 km2、23 km2和84 km2；結冰范圍將依次減少9 nmi、7 nmi、2 nmi和7 nmi；持續天數將依次縮短7 d、5 d、3 d和5 d。最后就整個黃、渤海而言，未來31 a內結冰面積將減少24%，結冰范圍將減少19%，持續天數將縮短10%。

本文利用對海冰影響較為顯著的因子，2 m氣溫，做了海冰預估的有益的嘗試。但對其它熱動力因素的影響，尚未深入研究。在下一步工作中，可考慮利用CMIP5的試驗數據進行動力降尺度，直接驅動區域大氣-海冰模式，對未來的海冰冰情進行預估。

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Future projection of the sea ice in the Bohai Sea and the North Yellow Sea

ZU Zi-qing，LING Tie-jun，ZHANG Yun-fei，LIU Yu，TANG Mao-ning
（Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting,National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

The future projection of sea ice in the Bohai Sea and the North Yellow Sea is studied.The increment of air temperature at two meters during 2015—2045 in CMIP5 data set,with respect to the historical case(1978—2008),was diagnosed,and superimposed on the historical climatology to force the sea ice-ocean coupled model to yield the projection of future sea ice.The results show that under different Representation Concentration Pathways(RCPs),the future sea ice in the four bays all decrease.However,the future sea ice will not decrease monotonously as the emission of greenhouse gas increases,i.e.,RCP4.5 corresponds to the strongest decrease, RCP6.0 and RCP8.5 weaker,and RCP2.6 the weakest.For the mean over four RCPs,the ice areas in the four bays(Liaodong,Bohai,Laizhou and North Yellow Sea)decrease by 438,121,23 and 84 km2,respectively;the ice extents decrease by 9,7,2 and 7 nmi(sea mile，1 nmi=1.852 km),respectively.For the Bohai Sea and North Yellow Sea,the future sea ice will decrease by 24%(ice area),19%(ice extent)and 10%(lasting days).

Coupled Model Intercomparison Project Phase 5(CMIP5);Bohai Sea and North Yellow Sea;future projection of seaice;air temperature at 2 meters

P731.15

A

1003-0239（2016）05-0001-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.001

2015-10-27

國家科技支撐計劃（2012BAC19B08）

祖子清（1985-），男，助理研究員，博士，從事海洋環流的可預報性研究。E-mail：zuzq@nmefc.gov.cn