过去40年里，北极地区的气候出现了显著的增暖变化，其增温幅度是全球平均的两倍，学术界把该现象普遍归因于人类活动及其引起的一系列正反馈过程，统称为“北极放大效应”。然而，近年来的研究表明，不论是在年际还是年代际时间尺度上，大气内部变率对北极增暖都有重要贡献，具体表现为夏季在格陵兰岛和北冰洋出现的正压结构的高压，会绝热加热、加湿局地的大气，增强向下长波辐射，导致净地表辐射增加，最终使得9月份北极海冰显著减少。该冰-气相互作用在不同再分析资料中都有显著的表现，但在CMIP5/6模式中是否得到有效的表征还不清楚。
近日，我系博士生罗蕊、吴志伟教授（通讯作者）和加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）助理教授Qinghua Ding等通过建立基于观测中冰-气相互作用过程的评估标准，对30个CMIP5模式和15个CMIP6模式进行了评估，结果表明大多数CMIP5\6模式都存在一定的局限性。以CMIP5模式为例，即使较好的模式也不能完全模拟出观测中冰-气相互作用的耦合强度（图1）。对强耦合（图1蓝色柱）和弱耦合（图1橙色柱）模式进行对比，发现模式的局限性主要来源于温度、湿度和向下放射长波辐射对大尺度环流敏感程度的差异。
在强耦合模式中，9月份北极海冰的减少对应着前期夏季北极地区从低层到高层的气压增强、温度升高、湿度增加（图2a、b、c），因此大气放射出更多的向下长波辐射（图3c），导致海冰更易融化；在弱耦合模式中，尽管冰-气相互作用的空间结构与强耦合模式相似，但耦合的强度明显减弱（图2d、e、f；图3d），这种耦合强度的差异可能与局地云的模拟有关。因此，在未来的工作中，增强模式北极大尺度环流对不同大气变量以及地表辐射平衡作用的模拟能力，将会极大提高对海冰模拟的准确性，为北极和全球气候预测提供更可靠的模式基础。
该研究已于2020年11月被《Climate Dynamics》接收。
Luo R, Ding Q, Wu Z, Baxter I, Bushuk M, Huang Y and Dong X, 2021: Summertime atmosphere-sea ice coupling in the Arctic simulated by CMIP5/6 models: Importance of large-scale circulation. Climate Dyn. Doi: 10.1007/s00382-020-05543-5
图1 冰-气相互作用评估标准在5套再分析资料（红色柱状，1979-2018，去趋势）和30个CMIP5模式中的排名。在模式中，柱状图表示计算采用的是工业革命前控制实验输出资料（picontrol），由于不同模式时间长度不同，给出一倍标准差（虚线）来反映其波动情况；星号表示计算采用的是CO2强迫下的实验输出资料（historical：1979-2005，RCP8.5：2006-2018；去趋势）。评估标准的具体计算方法见文章。
图2 CMIP5强耦合（图1蓝色柱）和弱耦合（图1橙色柱）模式9月份北极海冰面积（SIA）指数与前期夏季纬向平均位势高度（Z）、温度（T）和比湿（Q）相关系数的分布（计算采用picontrol资料）。
图3 9月份北极海冰面积（SIA）指数与前期夏季向下长波辐射（DLR）在ERA5 （1979-2018，去趋势）、30个CMIP5模式平均、强耦合模式和弱耦合模式中的相关系数分布（模式计算采用picontrol资料）。
