《Atmosphere》：Evaluation of Sea Ice–Atmosphere Boundary Layer in the North Atlantic–Arctic Ocean Based on High-Resolution Models
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北极快速变暖显著改变了海冰-大气边界层过程，低分辨率模型难以准确分辨这些过程。本研究评估了来自CMIP6 HighResMIP的四个高分辨率模型——EC-Earth3P-HR、CNRM-CM6-1-HR、HadGEM3-GC3.1-HH和Fgoals-f3-H
北极快速变暖显著改变了海冰-大气边界层过程，低分辨率模型难以准确分辨这些过程。本研究评估了来自CMIP6 HighResMIP的四个高分辨率模型——EC-Earth3P-HR、CNRM-CM6-1-HR、HadGEM3-GC3.1-HH和Fgoals-f3-H——在历史时期（1958–2014）的表现，并与ORAS5和CMEMS再分析数据集进行对比，同时检验它们在SSP5-8.5情景（2015–2025）下对快速变暖的物理响应。结果表明，在模拟北极海冰厚度、混合层深度、海表温度和盐度以及深对流方面，模型间存在显著差异。HadGEM3-GC3.1-HH和CNRM-CM6-1-HR整体表现最佳，可靠地再现了两个主要深对流区域的变化趋势、经向温度-盐度梯度以及长期演变，且偏差较小、相关性较高。在年代际强增暖背景下，模型普遍模拟出深对流区混合层变浅和加拿大海盆上层水体失稳现象，但海冰、涡动能和断面温度-盐度的响应存在显著差异。HadGEM3-GC3.1-HH和CNRM-CM6-1-HR能够更好地表征与观测真实响应一致的物理量及海洋层结。研究人员得出结论，这两个模型更适用于研究北极海冰-大气边界层变化和深对流，为高分辨率模型选择和北极气候预估提供了依据。
**研究背景、问题与意义**
北极海冰-大气边界层是连接海冰、海洋与大气的重要界面，控制着冷卤水层维持、深层水形成和经向热输送等关键过程，对北极乃至全球气候系统稳定性起决定性作用。然而，传统低分辨率模型难以解析边界层内的精细物理过程和水团演变。快速变暖及强区域异质性进一步加剧了模拟不确定性。为此，研究人员利用CMIP6 HighResMIP中的四个高分辨率模型（EC-Earth3P-HR、CNRM-CM6-1-HR、HadGEM3-GC3.1-HH和Fgoals-f3-H），系统评估其在历史时期（1958–2014）模拟海冰-大气边界层变量的能力，并检验其在SSP5-8.5强增暖情景（2015–2025）下物理响应的合理性，旨在识别可靠模型，为北极气候预估提供数值支撑。该研究发表在《Atmosphere》。
**关键技术方法**
研究人员主要采用了以下方法：（1）利用ORAS5再分析数据集（提供海洋温度、盐度、混合层深度和海冰参数）和CMEMS海平面异常（SLA）数据（用于计算地转动能，GKE）作为评估基准。（2）选择三条关键经向断面（拉布拉多海、北欧海、加拿大海盆），分析垂直结构和经向对比，追踪大西洋水入侵与深对流演变。（3）采用α/β海洋分类方法，基于简化状态方程计算层结控制指数（SCI），区分温度主导（α海洋）和盐度主导（β海洋）的层结类型。使用混合层深度（MLD）表征冬季对流强度。（4）通过地转动能（GKE）评估模型对中尺度涡旋活动的模拟能力，GKE基于SLA导出的地转速度异常计算。样本来源为CMIP6 HighResMIP模型输出和再分析数据。
**研究结果与结论**
**3. 历史模拟评估**
**3.1. 海表变量的长期趋势**
与ORAS5对比发现，1958–2014年3月海冰浓度在巴伦支海北部和格陵兰海下降最显著；混合层深度在拉布拉多海和中央北冰洋变浅，在冰缘区（如格陵兰海）加深。海表温度呈现60°N以北增暖、以南冷却的经向偶极子，与NAO增强驱动的南格陵兰冷却一致。海表盐度呈北高南低偶极。HadGEM3-GC3.1-HH和CNRM-CM6-1-HR最好地再现了拉布拉多海对流变浅和北欧海对流加深的相反趋势，而EC-Earth3P-HR低估海冰面积和MLD，Fgoals-f3-H系统性高估海表温度和盐度。时间序列和统计指标（1990–2014）证实，HadGEM3和CNRM在多数变量上相关性高、偏差小，适合北极气候研究。
**3.2. 关键断面垂向温盐趋势评估**
针对1990–2014年断面温盐和MLD趋势，ORAS5显示加拿大海盆上层盐度升高、北欧海增暖。模型评估显示：CNRM-CM6-1-HR和HadGEM3-GC3.1-HH成功再现拉布拉多海1995年后深对流减弱信号，其中HadGEM3在拉布拉多海MLD相关性达R=0.54，CRMSE=272.92；CNRM在北欧海MLD表现最佳（R=0.54，CRMSE=153.16）。泰勒图进一步表明，三个高分辨率模型（EC、CNRM、HadGEM）的断面平均温盐与ORAS5相关性均>0.4，而CNRM和HadGEM的STD和CRMSE更接近参考值，表明其能真实再现大尺度环流变率。
**4. 年代际增暖强迫下物理响应合理性评估**
在SSP5-8.5情景（2015–2025）下，模型与ORAS5对比显示：所有模型均模拟出深对流区MLD变浅和加拿大海盆上层水柱失稳；但海冰厚度响应存在分歧（CNRM模拟显著减薄，EC模拟增厚，HadGEM和Fgoals无显著变化）。地转动能普遍增强，其中HadGEM3和Fgoals模拟的增强更显著，且2015年3月瞬时场反映出强年际变率。断面分析表明，EC、CNRM和HadGEM成功再现了拉布拉多海和北欧海深对流中心位置，而Fgoals模拟出不可靠的深对流北移。α/β海洋分类显示，这三个模型在混合层以下的水团分类（加拿大海盆为β海洋抑制对流，深对流区为α海洋）与观测物理过程一致，证实其物理合理性。
**讨论与结论**
总体而言，HadGEM3-GC3.1-HH和CNRM-CM6-1-HR在历史模拟和增暖响应中均表现最佳，能合理再现海冰、MLD和温盐结构的大尺度特征。模型间差异源于分辨率、海洋模块设计和参数化方案的不同，即使高分辨率也不能完全解决小尺度海冰-海洋相互作用的不确定性。未来需结合更长时间序列和原位观测，进一步约束模型偏差。
**研究结论**：本研究系统评估了四个高分辨率模型的历史表现和短期增暖响应。与ORAS5对比表明，HadGEM3-GC3.1-HH和CNRM-CM6-1-HR整体最佳，可靠再现了关键北极海洋变量的空间格局和长期趋势；而EC-Earth3P-HR和Fgoals-f3-H在模拟关键过程方面存在局限。在2015–2025年增暖响应中，所有模型均模拟出深对流区MLD变浅和加拿大海盆上层失稳，但海冰厚度、涡活动和断面温盐响应各异。HadGEM3-GC3.1-HH和CNRM-CM6-1-HR的物理响应与观测更一致，且α/β层结分类符合实际。因此，这两个模型更适合北极海冰-大气边界层变化和深对流研究，为高分辨率模型选择和北极气候预估提供了基础。
