气候变化已成为人类社会可持续发展面临的严峻挑战,北极是全球气候变化最敏感的地区之一。北极快速气候变化会导致北极气温迅速升高、海冰快速消融,对北极的生态系统、渔业资源以及北极航运都产生了显著影响,此外巴伦支海和喀拉海秋冬季海冰的大幅度减少对北半球中高纬度大陆的天气和气候系统具有潜在的影响。最新的气候预估显示,未来北极气候还会持续快速变化,但是气候模式对北极气候的预估相比中低纬度具有更大的不确定性,诊断北极气候预测不确定性的主要来源、开展气候变暖背景下北极海-冰-气相互作用变化规律的研究是北极气候变化研究的前沿科学问题。本文基于最新的cmip6(Coupled Model Intercomparison Project phase 6)气候模式,对气候变暖背景下北极海-冰-气的相互作用进行了系统研究。分析给出了气候变暖背景下北冰洋上混合层深度、海表热通量、海冰密集度、表层气温以及海洋极向热输送的变化特征及各量之间的相互关系,研究给出了北极海-冰-气相互作用的变化规律;利用观测和再分析数据,评估了cmip6气候模式对北冰洋上混合层深度、海冰覆盖范围、表层气温以及海洋极向热输送的模拟能力,诊断出了气候模式对北极海-冰-气的相互作用模拟和预估不确定性的重要来源;最后针对巴伦支海海冰的模拟,对cmip6气候模式进行了系统评估,给出模式的共性偏差及原因,并对巴伦支海冬季海冰的变化进行预估,探讨了cmip6气候模式中巴伦支海海冰对全球变暖的敏感性。本文研究结果表明,气候变暖背景下北极冬季将具有更强的海-冰-气相互作用,尤其是在北冰洋的欧亚海盆,主要表现为海洋上混合层加深、海表热释放增加、海冰急剧减少以及表层气温快速升高,上述变化主要是由大西洋水极向热输送的增加(大西洋化)所致;但是cmip6气候模式对上述北极气候变化的预估存在很大差异(不确定性),进一步研究表明,这些不确定性主要来自气候模式中的海洋分量模式,而非大气或者海冰分量模式,具有不同海洋分量模式的气候模式对北极气候的预估表现明显不同,具体来讲,海洋分量模式选用NEMO(Nucleus European Modelling of Ocean)的cmip6气候模式(称为NEMO家族气候模式)对历史时期的海洋上混合层深度、巴伦支海海冰和大西洋水极向热输送的模拟能力更强,相对误差更小,且NEMO家族气候模式中未来经过巴伦支海的极向热输送的增加量比非NEMO族更大,大西洋化更显著,北极海-冰-气相互作用更强,北极气候变化更剧烈。因此,研究NEMO海洋模式与其他海洋模式之间的差异有助于显著降低气候模式对北极气候变化预估的不确定性。针对巴伦支海海冰的研究表明,cmip6气候模式存在高估巴伦支海海冰覆盖范围、低估海冰下降趋势的共性问题,其主要原因与气候模式中经过巴伦支海的海洋极向热输送模拟偏弱有关,提高海洋模式的水平分辨率可以减小上述共性偏差;基于模式分类、模式优选和涌现约束三种方法对未来冬季巴伦支海海冰变化进行了预估,结果表明,在气候变暖背景下未来冬季巴伦支海海冰会迅速减少,在SSP5-8.5(Shared Socioeconomic Pathway 585)情景下,巴伦支海将在2060s年前后首次出现冬季无冰的现象,同时发现cmip6气候模式中冬季巴伦支海海冰对全球变暖的敏感性偏弱于观测,因此巴伦支海首次出现冬季无冰的时间可能比上述预估更早。本文揭示了气候变暖背景下北冰洋海盆区海-冰-气相互作用的变化规律,发现北极气候预估中的不确定性主要来源为海洋分量模式而非大气或者海冰分量模式,诊断出气候模式对巴伦支海海冰模拟偏多的部分原因是由于分辨率偏低对经巴伦支海的海洋极向热输送的低估。本文上述结果为深入理解北极快速气候变化、降低北极气候模拟和预估的不确定性、提高模拟和预测能力提供了重要科学依据。
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