导读

北极海冰快速变化对地球系统产生了深刻影响，也促使北极航道提前开通，因此亟需准确估算北极海冰厚度。迄今为止，尚未有同化夏季海冰厚度卫星遥感数据的研究。鉴于此，本研究使用集合资料同化系统和分析增量更新（IAU）方案，率先实现了CryoSat-2北极夏季冰厚卫星遥感数据的合理同化。所得到的北极夏季冰厚分析场在海冰发生显著形变的区域（如弗拉姆海峡、格陵兰岛和加拿大北极群岛北部海域）明显优于CryoSat-2夏季冰厚卫星遥感数据，以及CMST海冰再分析数据。相关研究成果近日发表在Science合作期刊Ocean-Land-Atmosphere Research上。

主要内容

全球变化背景下，北极海冰范围和厚度在过去40年中显著减少和变薄，海冰的快速消融对地球系统产生了重大影响，也使得北极航道的商业化通航成为可能。然而，海冰（特别是海冰厚度）的局部变化会严重影响北极航行安全和路线规划，迫切需要使用先进的资料同化方法，有效结合现有观测资料和数值模式以科学地估算和预测北极海冰厚度。

随着国际上于2022年首次发布了CryoSat-2全季节海冰厚度卫星遥感数据成果（Landy et al., Nature, 2022），北极海冰厚度资料同化和数值预测研究亦迎来了重要机遇。本研究率先将最新的CryoSat-2夏季冰厚数据同化到MITgcm海冰-海洋耦合模式中（概念图如图1），并在同化过程中创新性地采用分析增量更新（IAU）方案，克服了冰厚观测信息不连续带来的同化增量“异常波动”问题，亦有效改善了CryoSat-2夏季冰厚在海冰发生显著动力作用区域（如弗拉姆海峡、加拿大北极群岛和格陵兰岛北部海域）的低估问题和CMST海冰再分析数据在以上区域的高估问题（如图2）。

图1  采用分析增量更新（IAU）方案并利用局地误差子空间变换卡尔曼滤波（LESTKF），耦合同化北极海冰密集度卫星遥感数据和最新发布的CryoSat-2夏季海冰厚度数据的概念图。

图2  图A-C分别为基于CryoSat-2卫星遥感数据、CMST再分析数据以及本研究冰厚分析场（ANA）的2016年9月1日至15日的北极海冰厚度空间分布。图D为│ANA - CS2│和│CMST - CS2│的差异，负值表明同化CryoSat-2冰厚遥感数据带来的改进。图E为夏季海冰体积随时间的变化，其中黑色竖线代表了CryoSat-2的不确定性，黑色横线则是CryoSat-2数据的时间跨度。CMST和ANA相对于观测值的均方根误差（RMSE）分别用紫色和绿色表示。

总结与展望

本研究确认了CryoSat-2夏季海冰厚度数据在资料同化和数值预测具有重要的应用价值，通过合理同化CryoSat-2夏季海冰厚度和密集度卫星遥感数据可显著提高北极海冰厚度估算和预测数据的精度（如图2），进而有望为全球变化研究和北极航道开发利用提供重要的科学数据支撑。

参考文献

Landy J. C., Dawson G. J., Tsamados M., Bushuk M., Stroeve J. C., Howell S. E. L., et al. (2022). A year-round satellite sea-ice thickness record from CryoSat-2.  Nature, 609, 517–522.

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/olar.0025

文章标题：

Improving Arctic sea-ice thickness estimates with the assimilation of CryoSat-2 summer observations

文章作者：

Chao Min, Qinghua Yang, Hao Luo, Dake Chen, Thomas Krumpen, Nabir Mamnun, Xiaoyu Liu and Lars Nerger

文章摘要：

Rapidly shrinking Arctic sea ice has had substantial impacts on the Earth system. Therefore, reliably estimating the Arctic sea-ice thickness (SIT) using a combination of available observations and numerical modeling is urgently needed. Here, for the first time, we assimilate the latest CryoSat-2 summer SIT data into a coupled ice-ocean model. In particular, an incremental analysis update scheme is implemented to overcome the discontinuity resulting from the combined assimilation of biweekly SIT and daily sea-ice concentration (SIC) data. Along with improved estimates of sea-ice volume, our SIT estimates corrected the overestimation of SIT produced by the reanalysis that assimilates only SIC in summer in areas where the sea ice is roughest and experiences strong deformation, e.g., around the Fram Strait and Greenland. This study suggests that the newly developed CryoSat-2 SIT product, when assimilated properly using our approach, has great potential for Arctic sea-ice simulation and prediction.

文章引用：

Min C, Yang Q, Luo H, Chen D, Krumpen T, Mamnun N, Liu X, Nerger L. Improving Arctic Sea-Ice Thickness Estimates with the Assimilation of CryoSat-2 Summer Observations. Ocean-Land-Atmos. Res. 2023;2:Article 0025. DOI:10.34133/olar.0025

OLAR 期刊简介

Ocean-Land-Atmosphere Research (OLAR) 由南方海洋实验室和美国科学促进会合作出版，入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，海洋负排放国际大科学计划（Ocean Negative Carbon Emissions, ONCE）学术出版合作平台，已被全球最具影响力的开放存取期刊目录DOAJ（Directory of Open Access Journals）数据库收录。本刊以海洋相关学科为重点，刊稿主题包括但不限于：海陆气相互作用、海洋碳中和、物理海洋学、海洋生物与生态、海洋地质与地球物理、化学海洋学、海洋气象学、大气物理与大气环境、冰冻圈科学、河口海岸学、海洋工程与海洋技术、海洋资源开发与利用。OLAR 投稿系统目前已正式开放，热烈欢迎相关研究领域科学家踊跃投稿。分享卓见，探索前沿，OLAR 诚邀您一起荟萃科学发现，共享学术盛筵！

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