南极海冰是地球气候系统中的重要组成部分，其在大气-海冰-海洋相互作用中扮演着重要角色。准确模拟南极海冰厚度对于理解气候系统和预测气候变化至关重要。然而由于缺乏可靠的南极海冰厚度的同期卫星观测数据，气候模式对南极海冰厚度和体积的模拟能力尚不清楚。欧洲航天局于2018年发布了基于Envisat（ES）和CryoSat-2（CS2）卫星的海冰数据集，可提供覆盖全南极的较长时间序列的海冰厚度卫星遥感数据，这为评估CMIP6气候模式对南极海冰厚度的模拟能力提供了数据支撑。

为此，我实验室前沿研究中心研究人员基于这两组卫星冰厚观测数据，对CMIP6气候模式集合中51个模式模拟的南极冰厚和体积进行了系统评估。结果表明，大多数模式可以很好的刻画南极海冰体积的季节变化（图1）。尽管CMIP6多模式平均（MMM）可以模拟出ES和CS2数据观测到的南极海冰体积异常的减少和增加趋势，其模拟的变化趋势远小于卫星观测。CMIP6 MMM南极海冰体积与ES和CS2卫星观测结果相比，分别低估了57.52% 和59.66%；且海冰厚度在各海区均存在显著的负偏差，最大的低估出现在西北威德尔海、别林斯高晋海和阿蒙森海的沿海地区以及罗斯海东部沿海地区等海冰变形区。

图1 （a）和（b）为CMIP6多模式平均（MMM）在ES（2003.01–2011.12）和CS2（2011.01–2014.12）观测期间的南极海冰体积多年平均。（c）和（d）分别为 CMIP6 MMM在ES和CS2期间南极海冰体积异常序列线性趋势的概率分布（PD）。

此外，CMIP6与CMIP5对南极海冰模拟结果的对比评估表明（图2），相较于CMIP5，除CMIP6模式间差异减少了43%之外，总体而言CMIP6对于南极海冰厚度和体积的模拟能力并没有特别明显的改善，二者相较于卫星观测均存在显著低估。

图2 （a）基于ES卫星观测的9月平均冰厚（2003-2005），（b）和（c）分别是同一时段基于CMIP6 MMM和CMIP5 MMM的9月平均冰厚的空间分布。（d）和（e）分别为CMIP6 MMM、CMIP5 MMM 和 ES 间的空间分布差异。（f）中的绿色和红色阴影代表CMIP6 MMM与 CMIP5 MMM相比的改进和不足。

总结与展望

为进一步探究气候模式对南极海冰厚度和体积模拟负偏差的可能来源，本研究基于卫星观测对CMIP6与第2次海洋模式比较计划（OMIP2）海冰-海洋耦合模式的海冰模拟结果进行了对比评估。结果表明，使用更加准确的JRA55-do再分析数据作为大气强迫，模式中海冰厚度和体积模拟的负偏差仍然显著，甚至在部分海区模拟表现更差。鉴于此，本研究指出由于南大洋存在较强的大气-海冰-海洋相互作用，仅改变耦合模式中的部分模块可能不会明显改善其对南极冰厚和体积的模拟。此外，气候模式的显著低估还可能是由于模式对某些关键物理过程的刻画不足造成，例如海洋热传输、海冰动力过程和海冰-海洋相互作用。因此，提高耦合模式分辨率、改善模式对海冰动力过程、海冰-海洋相互作用过程的表征以及对于南大洋海温的高估，对于提高南极海冰厚度模拟的精度至关重要。

图3 OMIP2与CMIP6模式模拟2003-2011多年平均9月南极冰厚的空间分布差异，绿色表示有所改进，红色表示模拟结果更差。

研究成果于2024年1月9日在国际著名期刊Environmental Research Letters上发表，题目为“Evaluation of Antarctic sea ice thickness and volume during 2003–2014 in CMIP6 using Envisat and CryoSat-2 observations”。中山大学大气科学学院博士生侯雅琪为文章第一作者，实验室前沿研究中心闵超博士为通讯作者，合作者包括前沿研究中心聂亚飞博士，中山大学大气科学学院杨清华教授、刘骥平教授和罗昊副教授，自然资源部第一海洋研究所舒启研究员。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和南方海洋实验室科研建设经费等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1088/1748-9326/ad1725（点击链接即可阅读论文）