極地預(yù)報(bào)概況及未來發(fā)展方向

極地預(yù)報(bào)與服務(wù)2018年11月22-23日主要內(nèi)容南、北極概況極地?cái)?shù)值預(yù)報(bào)極地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)預(yù)報(bào)保障服務(wù)未來發(fā)展方向北極：大陸包圍的海洋

近地面的氣溫比南極溫和，分布也比較均勻，年平均氣溫約-10℃，北極地區(qū)最冷的地方并不在北冰洋，而在陸地上，曾測(cè)到-70℃的最低氣溫，夏季的氣溫會(huì)高于0℃。南極：海洋包圍的陸地

南極年平均氣溫約-25℃，曾記錄到南極的最低氣溫-89.2℃，寒極，沿海地區(qū)的溫度相對(duì)高一些，夏季的氣溫會(huì)高于0℃。曾觀測(cè)到風(fēng)速達(dá)100米/秒的颶風(fēng)，風(fēng)極。海冰多集中于55°S以南海域南極和北極概況極地科考1985，長(zhǎng)城站1989，中山站2009，昆侖站2014，泰山站雪龍船(1984-)35次南極科考(1999,2003,2008,2010,2012，2014，2016-2018)共9次北極科考

2017年第8次北極科考航線

2004，黃河站南北極海冰范圍季節(jié)變化南極海冰范圍3~20百萬平方公里，冰范圍9月最大，可向北伸展到南緯55度以北，2月最小。北極海冰范圍約4~16百萬平方公里，冰范圍3月最大，9月最小。數(shù)據(jù)來源：德國(guó)不來梅大學(xué)冰脊當(dāng)年冰，多年冰，冰脊，冰山北極海冰范圍快速減少2012年9月北極平均海冰范圍達(dá)到有衛(wèi)星記錄以來的最低值，相比1979年至2000年平均范圍的情況，減少了49%，2018年9月平均海冰范圍為有衛(wèi)星記錄以來歷史第6低值。2007-2018連續(xù)12年9月的海冰范圍均為衛(wèi)星遙感記錄最低值。（左上圖及數(shù)據(jù)來源：美國(guó)冰雪中心）右上圖來源：NASA數(shù)據(jù)來源：美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC北極多年冰分布變化（來源:美國(guó)冰雪中心NSIDC）1988年5年以上多年冰還占有相當(dāng)比例，而近幾年的多年冰多為2-4年冰。多年冰減少>60%（FromRonKwok）北極航道：聯(lián)系三大洲的最短航線，亞洲到歐洲的水運(yùn)航程會(huì)縮短四分之一2013年我國(guó)商船首航東北航道，發(fā)展至2018年6船8航次，亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目等，未來將常態(tài)化運(yùn)營(yíng)以及其他潛在需求。2013年永盛輪首次北極航行2015年永盛輪-東北航道雙向航行2016年我國(guó)5商船6航次穿越東北航道2017年我國(guó)5個(gè)商船航次穿越東北航道2018年我國(guó)6商船8航次穿越東北航道極地?cái)?shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于PolarWRF建立了業(yè)務(wù)化運(yùn)行的我國(guó)極地?cái)?shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)；包含“資料同化”和“業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)”兩個(gè)子系統(tǒng)，采用三維變分同化技術(shù)（3DVAR），實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星資料、現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)資料實(shí)時(shí)循環(huán)同化；實(shí)時(shí)更新極區(qū)海溫和雪冰覆蓋數(shù)據(jù)；“資料同化”子系統(tǒng)每天運(yùn)行4次，“業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)”子系統(tǒng)每天運(yùn)行2次，預(yù)報(bào)時(shí)效96小時(shí)，時(shí)間分辨率1小時(shí)，全南極、北極空間分辨率27km。南極地區(qū)三重嵌套，重點(diǎn)預(yù)報(bào)（1）中山站至昆侖站、（2）南極半島、（3）羅斯海沿岸；在南極長(zhǎng)城站和難言島新站地區(qū)分辨率高達(dá)3km。北極地區(qū)雙重嵌套，針對(duì)船舶實(shí)際需求，進(jìn)行區(qū)域重點(diǎn)加密預(yù)報(bào)，分辨率可達(dá)3km實(shí)時(shí)同化衛(wèi)星遙感資料、地面和探空資料衛(wèi)星遙感資料來自搭載在風(fēng)云、EOS、METOP、NOAA等多種衛(wèi)星上的多種傳感器極地160個(gè)自動(dòng)氣象站和人工地面氣象觀測(cè)站資料探空氣象觀測(cè)站資料南極地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)、降水量、風(fēng)場(chǎng)、高空位勢(shì)高度場(chǎng)等預(yù)報(bào)圖極地?cái)?shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品示例圖中山站和長(zhǎng)城站地區(qū)預(yù)報(bào)圖示例表現(xiàn)出了南極埃默里冰架兩側(cè)的下降風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，捕捉到了普利茲灣沿岸的中尺度氣旋表現(xiàn)出了長(zhǎng)城站所在的喬治王島對(duì)氣流的阻擋作用，氣流到達(dá)喬治王島之前分流，流經(jīng)島之后再匯合體現(xiàn)了高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)場(chǎng)天氣預(yù)報(bào)的主要參考依據(jù)長(zhǎng)城站中山站中尺度氣旋南極羅斯海難言島新站地區(qū)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)及檢驗(yàn)表現(xiàn)出了難言島及其附近冰川的強(qiáng)下降風(fēng)氣流，體現(xiàn)了高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)的優(yōu)勢(shì)對(duì)比我們預(yù)報(bào)的風(fēng)速（紅線）、GFS風(fēng)速（綠點(diǎn)）和難言島自動(dòng)氣象站實(shí)測(cè)風(fēng)速（藍(lán)點(diǎn)）可見：與GFS相比，我們預(yù)報(bào)的風(fēng)速更接近實(shí)測(cè)值；為南極新站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的氣象保障工作提供重要的參考依據(jù)

難言島地區(qū)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)圖南極考察固定翼飛機(jī)航空天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品極地?cái)?shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)中山站-昆侖站沿線地區(qū)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品：左上-中山站及其附近地區(qū)降水量、海平面氣壓場(chǎng)；右上-中山站各氣象要素時(shí)間序列預(yù)報(bào)圖；左下-中山站大氣斜溫圖；右下-中山站及其附近地區(qū)500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)我國(guó)南極考察固定翼飛機(jī)飛行航線北極海冰-海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)ArcticIceOceanPredictionSystem(ArcIOPSv1.1)2018年7月31日起中心業(yè)務(wù)化運(yùn)行數(shù)值模式:MITgcm水平分辨率：18km（在研4km）數(shù)據(jù)同化模式:并行數(shù)據(jù)同化框架（PDAF）濾波器:局地誤差子空間變形卡曼濾波器（LESTKF)集合個(gè)數(shù):12大氣強(qiáng)迫場(chǎng)：GFS120h

GMPE海表面溫度

每日同化衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)AMSR2海冰密集度

每日SMOS薄冰區(qū)海冰厚度每日（冷季10-4月）

CRYOSAT2海冰厚度

每周（冷季10-4月）關(guān)鍵技術(shù)（1）集合卡曼濾波G.Evensen(EnKF,1994)首先提出卡曼濾波:使用平均值和協(xié)方差表示概率分布集合卡曼濾波:使用集合性質(zhì)表示概率分布觀測(cè)0時(shí)刻1時(shí)刻2時(shí)刻分析預(yù)報(bào)集合變形初始集合狀態(tài)估計(jì)預(yù)報(bào)局地化:在每個(gè)格點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化來減少計(jì)算量同化圓圈里所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)來更新中心點(diǎn)的狀態(tài)濾波器局地化模式集合分析集合預(yù)報(bào)觀測(cè)集合觀測(cè)19關(guān)鍵技術(shù)（2）局地化狀態(tài)更新后報(bào)實(shí)驗(yàn)：2013年1月至5月的海冰密集度和SST變化預(yù)報(bào)應(yīng)用與檢驗(yàn)：第八次北極科學(xué)考察八北期間冰厚人工觀測(cè)與模式預(yù)報(bào)對(duì)比2017年雪龍船穿越北極中央航道時(shí)基本是沿著厚冰區(qū)1.5m的邊界航行（平均偏差約20cm）雪龍船2018年8月10日至8月30日期間在北極太平洋扇區(qū)的航行軌跡基本是沿著1.5米厚冰區(qū)的邊界預(yù)報(bào)應(yīng)用：第九次北極科學(xué)考察模式:HIGHTSI,highresolutionthermodynamicseaicemodel分辨率:5km南極普里茲灣固定冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)FastIcePredicitonSysteminPrydzBayHIGHTSI模式:模擬積雪和海冰內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程、雪/冰溫度剖面的演化，以及雪/冰質(zhì)量平衡過程，可以預(yù)報(bào)的參數(shù)包括積雪和海冰厚度、溫度、積雪的融化、海冰內(nèi)部的融化、雪冰的比例等。采用的大氣強(qiáng)迫場(chǎng)為0.125度，包括的參數(shù)是：2m溫度、濕度、10m風(fēng)、云量、向下短波輻射、向上長(zhǎng)波輻射、降水等。輸出結(jié)果包括積雪厚度、海冰厚度、積雪融化速度、海冰底部融化速度、內(nèi)部融化速度等。中山站一維模擬試驗(yàn)真實(shí)雪厚情景試驗(yàn)平均雪厚情景試驗(yàn)紅線:現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果藍(lán)線:模擬結(jié)果強(qiáng)迫場(chǎng):現(xiàn)場(chǎng)AWS觀測(cè)數(shù)據(jù)和給定的海洋熱通量2015年9月強(qiáng)迫場(chǎng)分布

普里茲灣三維模擬試驗(yàn)

強(qiáng)迫場(chǎng):ERAinterim數(shù)據(jù)集(0.125°)

和給定的海洋熱通量分布80km100kmZhongshan♂Xuelong空氣溫度云量降水量2015年9月模擬結(jié)果SnowthicknessIcethickness和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的比較結(jié)果34thCHINARE的業(yè)務(wù)化試運(yùn)行產(chǎn)品

南極普里茲灣固定冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在第34次南極科考海冰服務(wù)首次應(yīng)用，冰厚和雪厚預(yù)報(bào)結(jié)果與中山站現(xiàn)場(chǎng)探冰觀測(cè)結(jié)果較為一致。遙感監(jiān)測(cè)冰厚、雪厚、海冰反照率、冰-氣湍流通量觀測(cè)冰厚鉆孔觀測(cè)海冰譜反照率觀測(cè)冰厚EM31觀測(cè)冰-氣湍流通量南極中山站梯度和通量觀測(cè)南極現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)展了考慮云量和降雪影響的參數(shù)化方案，顯著改進(jìn)了反照率高值和低值模擬的不足。參數(shù)化結(jié)果vs

觀測(cè)雪厚觀測(cè)不同波段反照率變化冰厚觀測(cè)北極現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)冰浮標(biāo)冰厚觀測(cè)

基于船舶走航和冰站開展海冰厚度、漂移、探空、冰-氣湍流通量等觀測(cè)，數(shù)據(jù)用于模式改進(jìn)、參數(shù)化研究以及海冰數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)等。海冰浮標(biāo)漂移軌跡冰厚變化冰-氣湍流通量輻射通量的變化探空觀測(cè)預(yù)報(bào)保障服務(wù)：北極科考預(yù)報(bào)保障服務(wù)：北極航道商船航行利用多源衛(wèi)星遙感資料和多數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品為其提供了北極航線的氣象、海冰和海浪綜合預(yù)報(bào)保障服務(wù)。包含氣象預(yù)報(bào)（天氣現(xiàn)象、風(fēng)速風(fēng)向、能見度）、浪高預(yù)報(bào)、海冰預(yù)報(bào)（密集度、厚度、漂流）和衛(wèi)星遙感圖像（SAR、MODIS）等信息，并針對(duì)強(qiáng)天氣過程、惡劣海況、重冰區(qū)等進(jìn)行著重分析。永盛2017年商船航線預(yù)報(bào)保障服務(wù)：南極科考2014年初雪龍脫困應(yīng)急保障海冰在持續(xù)偏東風(fēng)作用下堆積致使雪龍被困，綜合現(xiàn)場(chǎng)冰情和氣象、潮流預(yù)報(bào)，分析判斷7日凌晨至8日上午為偏西風(fēng)時(shí)段，在偏西風(fēng)的作用下，利于海冰向東擴(kuò)散，為雪龍最佳脫困時(shí)機(jī)。建立極地大氣-海冰-海洋立體觀測(cè)能力（浮標(biāo)、探空、衛(wèi)星）；發(fā)展先進(jìn)的大氣和海冰-海洋多變量耦合資料同化系統(tǒng)；改進(jìn)大氣-海冰-海洋物理過程參數(shù)化，提升水平分辨率；探索建立基于全耦合模式的無縫隙預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)。未來發(fā)展方向

科學(xué)目標(biāo)：旨在提高從小時(shí)到季節(jié)時(shí)間尺度上的極地地區(qū)天氣和環(huán)境（特別是海冰）預(yù)報(bào)服務(wù)3個(gè)階段：1）YOPP準(zhǔn)備階段：2013-2017年中；2）YOPP階段：2017-2019年中；3）YOPP鞏固階段：2019-2022。3個(gè)特別觀測(cè)期：1）2018年2月1日-3月31日，北極；2）2018年7月1日-9月30日，北極；3）2018年11月16日-2019年2月15日，南極。ThePolarPredictionProject(PPP;2013-2022)andYearofPolarPrediction(YOPP;2017-2019)預(yù)報(bào)中心于2014年11月正式加入PPP觀測(cè)核心：多學(xué)科漂流觀測(cè)“Polarstern”

破冰船強(qiáng)化耦合：大氣-海冰-海洋-生態(tài)-生物地球化學(xué)2019秋季>2020秋季衛(wèi)星觀測(cè)