南大洋快速变化的大气、深邃的海洋、广袤的浮冰和巨大的冰盖共同构成了一个大气–海洋–海冰–冰盖强耦合的极地气候系统，对全球气候变化具有重要影响（图1）。贯穿南大洋的南极绕极流是地球上流量最大的洋流（约1.75亿立方米/秒），连通着南太平洋、南大西洋和南印度洋，调节全球大洋传送带。南极海冰覆盖面积在夏季和冬季之间剧烈脉动（约300万-1800万平方公里），通过反照率效应和盐析过程，调控全球热盐循环。发源于南极近海的南极底层水是地球上体量最大的水团（约占全球海洋的30%-40%），驱动着全球大洋的深层翻转环流和长期气候变化。

图1. 南大洋海图、冰盖和冰架

覆盖南极大陆的冰盖是地球上最大的单一冰体（约3000万立方公里），占南极大陆面积的98%以上（约1400万平方公里），其冰层平均厚度约2.1公里，最厚处超过4.8公里。南极冰盖也是全球最大的淡水储库（总冰量约2.5万万亿吨），蕴含了全球约90%的淡水。南极冰盖每年向海洋释放约24000亿吨淡水，其中超过一半源自海洋造成的冰架底部融化；如果南极冰盖全部融化，其所含冰量足以使全球海平面上升约60米，对人类生存环境有巨大影响（图2）。因此，南极冰盖的物质平衡与稳定性，已成为全球气候变化研究中最受关注的核心议题之一。

视频1. SOSIM的海床和冰盖形态；灰色半透明区域即为南极冰盖，悬浮于海洋之上的冰盖边缘区域即为冰架。

“5公里分辨率的南极数字实验室”——SOSIM

一、粗分辨率的迷雾

如果把传统的地球气候系统模型比作一幅油画，它能够描绘南大洋冷暖水团和环流的轮廓（视频2），但其笔触无法勾勒出南大洋和边缘海的“精细纹理”。

南大洋遍布着直径仅数十公里的中小尺度涡旋和急流，它们贡献了南大洋经向热量输送的相当一部分，是维持大洋锋面南北热量交换的“搬运工”；南极底层水发源于陆架重水的溢流过程，绕极深层水在陆坡上涌并跨越陆架进入冰架空腔，跨陆坡的水团交换过程的空间尺度也多为十余公里甚至数公里。因此，粗分辨率模式中的陆架与深海找不到正常交流的“通道”，重要的水团在虚假的数值混合中“消亡”，中尺度涡旋的时空特征也被“抹平”。

视频2. 粗分辨率（18公里）模式ECCO2中的南大洋（a）温度场和（b）盐度场

二、冰架拼图的缺失

南极冰盖并非直接滑入大海，其边缘漂浮在海面上的部分即为冰架。冰架如同“门闩”，支撑着后方巨量的陆地冰盖。一旦冰架底部被海洋暖水侵蚀而变薄甚至崩解，后方陆地冰流便会加速入海，引发不可逆的海平面上升。

没有冰架模块的海洋模型，只能以径流的形式表达冰架输入至海洋的淡水，这不仅切断了冰架和南大洋之间的耦合关系，也无法进一步研究“南极冰架对气候变化的响应”这一国际前沿问题。

三、解开迷雾，填补拼图，SOSIM 铸就南极的数字海洋

海洋、海冰和冰架的界面交织着复杂的物质与能量交换，SOSIM首次构建了z坐标下的环南极高分辨率多分量框架，耦合海洋、海冰和冰架三大模块，以探索这一“三体问题”。

应用正交曲线网格方案，SOSIM在环绕南极的广阔海域布设了平均分辨率高达4.7公里的水平网格，实现了中尺度涡旋在近海的“允许存在”和大洋的“过程解析”（视频3）。采用RTopo-2高精度海床和冰盖形态数据集作为模式骨骼，SOSIM精细刻画了冰腔的复杂几何结构，并谨慎修正了南极半岛和小冰腔的非联通水域，确保“数字海洋”符合物理框架的约束。

视频3. SOSIM中的（a）海表温度，（b）盐度和（c）涡度罗斯贝数Ro；Ro颜色较深的流涡表示SOSIM捕捉到的中小尺度过程。

水平分辨率决定了SOSIM捕捉涡旋的能力，其垂向分辨率则决定了SOSIM对下层海洋的“透视”能力。SOSIM在垂向采用了70层非均匀分层。在海气相互作用剧烈的表层，分辨率精细至5米，以捕捉海冰冻融带来的盐度通量；而在数千米的深海，层厚逐渐放大以兼顾计算效率。这使得SOSIM能够更好地模拟中小尺度涡旋的垂向结构及其对垂向混合的影响（视频4）。

视频5. SOSIM模拟的冰架底部冻融率，红色表示冰架融化较大的“热点”区域。

南极海冰是极地气候系统中极具季节反差的分量（视频6）。每年2月，南极海冰退缩至南极大陆边缘，露出广袤的洋面；而到了9月，海冰可延展至南大洋中高纬度海域（约55°S）。这种剧烈的季节脉动对太阳辐射反射率、海气热量交换以及底层水的形成都具有决定性影响。SOSIM中的海冰引入了粘-塑性流变学与零层热力学模拟方案，在计算效率与物理完备性之间取得平衡，能够较好地复现南极海冰的季节律动（视频6）。

视频6. SOSIM模拟的海冰密集度逐日演变，光影效果体现海冰厚度特征。

2014年至2016年间，南极海冰范围经历了一次历史性的急剧萎缩，其减少幅度与速率在卫星观测记录中前所未有。这一事件彻底扭转了此前近四十年南极海冰缓慢增长的趋势，引发了科学界对南极气候系统是否已跨越某个临界点的深切担忧。

令人振奋的是，SOSIM在未同化任何海冰观测数据的情况下，纯靠大气强迫驱动，成功再现了这一极端气候事件。在模拟的时间序列中，2014年冬季海冰范围达到峰值，随后在2015 年和2016年连续大幅下挫，并复现了随后的回升过程（图3），与卫星观测曲线高度同步（相关系数达 0.9 以上）。SOSIM证明了其复现极端气候事件的“录像”能力，为未来开展南极海冰的季节至年代际预测研究提供了支撑。

图3. SOSIM模拟的海冰面积年际变化及其与观测数据的对比

四、支撑我国极地海冰预报应用与极地气候科学研究

作为一台经过精密调校的“数值引擎”，SOSIM在超算中心完成了长达44年（1979-2022）的连续积分，以日分辨率的输出频率生成了超过60TB的四维海洋大数据，为深入理解极地气候系统的多尺度过程提供科学依据。然而，SOSIM的研发从一开始就肩负着双重使命，既要探索南极气候变化的科学前沿，又要具备业务化预报应用的稳定性能，成为国家需求与科学前沿之间的桥梁。

国家海洋环境预报中心南大洋海冰短期预报系统（SOIPS v1.0）已于近年投入运行，为我国南极科学考察提供了重要支撑。SOSIM v1.0的诞生，标志着我国具备了研发高分辨率南极海冰预报系统的技术基础。SOSIM的精细分辨率和冰架模块有利于下一代SOIPS将南极近海中小尺度涡旋和冰架对海冰的影响纳入考量。

五、SOSIM的局限与进化蓝图

尽管SOSIM在众多方面表现出色，但其并非完美。SOSIM v1.0在南极绕极流的流量模拟、深海的长期漂移、夏季海冰维持、冰架底部冻结过程的再现等方面仍存在偏差。这些偏差的根源既有模型物理过程的不完备（如缺少潮汐、海洋冰晶和海冰储热能力等），也有计算资源、分辨率和参数化方案的客观限制。

面向未来，研究团队已经规划了SOSIM v2.0的进化路线：

第一、海洋上层垂向网格进一步加密，深度解析陆坡水团交换过程和冰架-海洋界面热盐通量，再现冷腔冰架的底部冻结。第二、引入更优质的海床和冰腔形态数据，提高冰架底部质量平衡的模拟精度。第三、引入更真实的海冰热力学方案，抑制夏季海冰的过度消融。第四、在关键年份引入潮汐模块，改善南极底层水的形成模拟。

六、极地数值模拟的“中国方案”和未来之路

SOSIM v1.0 的诞生凝聚了国内外数十位科学家多年的心血。它不仅是多国科研机构协作的一项标志性成果，更代表了我国在高分辨率极地耦合模式的研发领域迈入了国际先进行列。

为提高我国在极地领域的国际影响力，SOSIM研发团队致力于将其打造为面向全球开放的“公共数字实验室”。SOSIM的全部配置代码、参数化方案、强迫场以及诊断输出，均已通过南方海洋实验室数据中心向全球公开。相关论文在预印讨论阶段，即已获得全球超过900次阅读，数据集访问下载次数达到1700余次。研究团队热忱欢迎国内外同行基于SOSIM开展合作研究。无论是直接诊断SOSIM模拟结果，或开展敏感性实验，或基于SOSIM研发再分析数据集，SOSIM都能提供一个可靠且灵活的数值平台。

SOSIM——让每一滴南大洋的海水在数字世界中流淌，为洞察南极的过去和未来点亮一盏路灯。

SOSIM v1.0的模式评估论文于2026年发表在Geoscientific Model Development。本模式联合研发机构、高校和科研院所如下：

南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），国家海洋环境预报中心，中山大学，新西兰地球科学研究院，澳大利亚国立大学、日本海洋地球科学技术厅、澳大利亚塔斯马尼亚大学、北海道大学、上海交通大学、南京信息工程大学、中国科学院大气物理研究所、中国极地研究中心、中国气象科学研究院、集美大学、自然资源部第二海洋研究所、同济大学、天津大学、北京师范大学、中国科学院海洋研究所、自然资源部第一海洋研究所、崂山实验室、清华大学、云南大学、中国科学院大学、华东师范大学、南京晓庄学院、浙江海洋大学、河海大学、上海海洋大学、中国海洋大学、广东海洋大学、天津科技大学、武汉大学和国防科技大学。

该研究工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金面上项目，南方海洋实验室自主科研项目和广东省自然科学基金面上项目等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.5194/gmd-19-2985-2026（阅读论文请点击阅读原文）

SOSIM下载链接：

https://doi.org/10.12378/geodb.2025.2.117.V1

https://doi.org/10.57760/sciencedb.35237

SOSIM介绍链接：

https://www.hellosea.org.cn/data/SOSIM/