海冰模式辐射过程参数化方案的改进及其对气候变化的响应

The Arctic sea ice extent has significantly decreased, the ice thickness has reduced and the ice surface melting rate has increased for the past decades. However, the existing climate system model could not properly reflect the rapid change of sea ice. To address it, this project will focus on the improvements of shortwave radiation physics. The concrete contents include: 1)to improve the albedo parameterization scheme that depends on the large scale variables in sea ice model especially incorporate explicit melt pond and its impacts on albedo, 2)to improve the penetrating parameterization scheme in the snow and ice in sea ice model， 3) to incorporate the improved sea ice model into the climate system model, compare the differences before and after the improvement, analysis its response and feedback to the global climate change, and predict the sea ice changes in the future.

近十年来北极海冰覆盖面积快速减少，海冰厚度变薄，海冰表面融化速率加快，而海冰的这种快速变化，在现有的地球气候系统模式中不能很好地反映出来。本项目以改进海冰模式的反照率参数化方案和辐射传输过程参数化方案为研究重点，并结合气候系统模式，对未来的海冰变化进行预测。主要包括：1)改进依赖于大尺度变量的海冰反照率参数化方案，特别是在反照率参数化方案中显式化地体现融池效应；2)对太阳辐射在积雪和海冰中的传输过程方案进行改进；3)将改进的海冰反照率参数化方案以及辐射传输过程参数化方案加入到气候系统模式中，研究改进的海冰辐射过程参数化方案对海冰模拟的影响及其对全球气候变化的响应和反馈，并对未来的海冰变化进行预测。

近三十多年来北极海冰快速减少，导致海冰对气候变化的响应和反馈发生了变化。发展一个完善的海冰模式，以期更好地反映海冰的变化，使模式的模拟结果具有更高的可信度，是非常重要的。结合观测资料分析和前人的研究工作，改进了海冰模式中依赖于大尺度变量的反照率参数化方案，包括将太阳辐射波段扩展为四个波段、区分太阳辐射直射和散射、区分干雪与湿雪的不同反照率、考虑冰厚和雪厚对反照率的影响，特别是显式化地体现融池效应等。结果表明，改进的反照率参数化方案的模拟结果有了明显改善，主要表现在：北冰洋中部的海冰密集度增加，特别是东西伯利亚海以北区域，由加拿大群岛及格陵兰岛向东西伯利亚海递减的海冰厚度梯度分布更接近观测，北冰洋中部的冰雪反照率明显增加，与观测资料更加接近。在改进的反照率参数化方案基础上，对模式中的太阳辐射在积雪和海冰中传输过程进行了改进，包括体现不同的波段以及不同的表面特征对辐射衰减系数的影响等。结果表明，穿透过程改进之后模拟的北冰洋边缘海域海冰密集度减小，北冰洋中部海冰厚度减小，特别是东西伯利亚海区域。这主要是由于更多的太阳辐射被海冰内部吸收，改变了海冰的物理结构，同时穿透海冰进入海洋的太阳辐射也增加，加强了海冰底部的融化。