自2022和2023年2月南极海冰范围连续两年打破卫星观测最小值记录，并且2023年成为“最少海冰年”之后，南极海冰变化引发了国际科学界的广泛关注。南极海冰预测网络（SIPN South; Massonnet et al., 2023）国际比对计划也于2023年11月再次发起了南极海冰夏季预测召集。我实验室极地海洋与气候变化创新团队于2023年12月，分别使用卷积长短期记忆神经网络（ConvLSTM; Dong et al., 2024a）、K近邻（KNN; Lin et al., 2023）、多元线性马尔可夫（MLM; Chen and Yuan, 2004）模型，进行了南极海冰预测，并向SIPN South提交了3个预测结果（图1）。

图1 2023年12月至2024年2月南极海冰面积各模型预测结果（Massonnet, 2024）。

最近，2023–2024年度SIPN South评估报告正式出炉（https://fmassonn.github.io/sipn-south.github.io/，阅读报告请点击链接），预测结果的验证也迎来了揭晓。在国际上本次提交的15个结果中，我实验室提交的3个预测结果在评估报告所采用的连续等级概率评分（CRPS; Massonnet et al., 2023）指标上，分别位列第二（ConvLSTM）、第四（MLM）、第六（KNN）（图2）。其中ConvLSTM模型的南极海冰预测研究已经于今年1月发表于Advances in Atmospheric Science期刊（Dong et al., 2024b）。

图2 2024年2月各模型预测结果的连续等级概率评分（CRPS）（Massonnet et al., 2024）。CRPS由预测累积密度函数和观测累积密度函数之间的平方差计算得到；值越小，预测技巧越高。

近些年来，南极海冰已经发生了较为剧烈的变化，反复出现的历史新低意味着南极海冰或已进入了一个极值频发的“新状态”。我实验室创新团队在本次SIPN South中的突出表现，为国际学界有效认知南极海冰与应对全球气候变化提供了重要参考，也展示了机器学习方法在这一关键领域的巨大应用潜力。

本研究由我实验室极地海洋与气候变化创新团队核心成员杨清华教授、前沿中心聂亚飞博士、大连理工大学李雪薇副教授、中山大学博士生董晓然、硕士生林永成和王昀共同完成。

该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金以及南方海洋实验室创新团队建设科研经费等的支持。

参考文献

Chen, D., & Yuan, X. (2004). A Markov Model for Seasonal Forecast of Antarctic Sea Ice*. Journal of Climate, 17(16), 3156–3168.

https://doi.org/10.1175/1520-0442(2004)017<3156:ammfsf>2.0.CO;2

Dong, X., Yang, Q., Nie, Y., Zampieri, L., Wang, J., Liu, J., & Chen, D. (2024a). Antarctic Sea Ice Prediction with A Convolutional Long Short-Term Memory Network. Ocean Modelling, 102386.

https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2024.102386

Dong, X., Nie, Y., Wang, J., Luo, H., Gao, Y., Wang, Y., et al. (2024b). Deep Learning Shows Promise for Seasonal Prediction of Antarctic Sea Ice in a Rapid Decline Scenario. Advances in Atmospheric Sciences, s00376-024-3380-y.

https://doi.org/10.1007/s00376-024-3380-y

Lin, Y., Yang, Q., Li, X., Yang, C.-Y., Wang, Y., Wang, J., et al. (2023). Optimization of the k-nearest-neighbors model for summer Arctic Sea ice prediction. Frontiers in Marine Science, 10, 1260047.

https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1260047

Massonnet, F., Barreira, S., Barthélemy, A., Bilbao, R., Blanchard-Wrigglesworth, E., Blockley, E., et al. (2023). SIPN South: six years of coordinated seasonal Antarctic sea ice predictions. Frontiers in Marine Science, 10, 1148899.

https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1148899

Massonnet, F. (2024). SIPN South 2023–2024 Postseason Report.

https://fmassonn.github.io/sipn-south.github.io/doc/2023-2024/SIPNSouth_2023-2024_postseason.pdf