清華大學地學系徐世明副教授研究組開展高解析度多尺度北極海冰動力學建模研究

高解析度是海冰變化科學研究和業務應用最重要發展方向之一，目前國際上北極海冰解析度最高水平已接近1公裡（如FESOM和MITGCM相關工作）。對海冰模式而言，提高解析度所最關注的問題是海冰多尺度形變，包括解析海冰線性形變特徵（LKF，Linear Kinematic Features），以及達到同高解析度觀測相一致的形變率的統計特性。同時，由於氣候模式目前解析度水平普遍較低，正確評估和改進較低解析度模式的海冰動力學過程，對氣候模式而言具有重要意義。

2021年1月29日，地學系徐世明副教授研究組在《地學模式發展》（Geoscientific Model Development）雜誌發表題為「Comparison of sea ice kinematics at different resolutions modeled with a grid hierarchy in the Community Earth System Model (version 1.2.1)」的論文，基於新型三極點海洋-海冰模式網格系統開展多解析度模擬，並進一步開展多尺度海冰動力學研究和模式評估，所形成的網格系統和相關成果在CESM和CIESM模式中開放使用。

研究通過構造多解析度全球海洋-海冰模式網格系統，形成了橫跨氣候模擬（0.45度）、海洋中尺度（0.15度）、次中尺度模擬（0.05度）的多套三極點網格（圖1左），並基於CESM模式開展分量和耦和集成。研究結果顯示，在北極區域，其網格解析度分別為22公裡、7.3公裡和2.4公裡，這與國際上同等模式工作相比達到了較高的空間解析度水平。

多尺度模擬結果表明，在各解析度下，模式均能較好重現觀測中的海冰形變的多尺度分形特徵，其中0.05度下海冰動力特徵（LKF）最為旺盛（圖1右），模式的空間多尺度分析（scaling analysis）和結構函數等統計特徵與高解析度觀測一致。多解析度橫向比較表明，對於較大形變率事件的模擬，模式有效解析度通常為網格解析度的1/6。同時，研究發現模式普遍存在的海冰流變學方案EVP數值收斂的潛在問題，可導致北極固定冰（加拿大極地群島）的模擬出現系統性差別。研究指出EVP數值特性對包括未來預估等科學應用的重要影響，為模式改進和結果應用提供了重要依據。

論文第一作者和通訊作者為徐世明副教授，合作作者包括地學系研究生和中科院大氣所相關科學家，地學系卓越教授王斌老師指導了課題研究工作。本工作得到了「全球變化及應對」國家重點研發計劃（2017YFA0603902）等項目的支持。