北极海冰的迅速减少可能导致北极在未来出现一个“无冰”的夏天。北极进入“无冰”状态可能会撬动全球的气候格局，影响全人类的可持续发展，因此北极何时进入“无冰”状态成为了国内外社会公众和科学家们密切关注的问题。然而，当前气候模式对秋季北极海冰预估的不确定性很大，这其中模式的技巧性和模式的独立性是预估不确定性的重要来源。传统的多模式等权重分配的预估方法，以及常用的模式筛选、涌现约束等用于减小气候预估不确定性的方法均忽略了模式间的相似性问题，由此可能会导致预估结果存在偏差，以及错误地估计了真实的不确定性范围。基于此，本工作利用了一套能够同时考虑模式的技巧和模式的独立性的多模式加权方案，来改进CMIP6模式对秋季北极海冰的未来预估。该套方案利用了多个与秋季北极海冰相关的变量对每个CMIP6模式的模拟性能和独立性进行了综合地评估，并以此作为依据对每个模式进行非等权重加权。
本工作分析结果表明：在加权之后，CMIP6模式对秋季北极海冰，北极气温以及北极海温的历史模拟有了明显改进。在此基础上，本工作进一步利用加权后CMIP6模式数据对秋季北极海冰以及北极进入“无冰”状态时间窗口进行了未来预估（图1）。在加权之后，CMIP6多模式集合平均结果表明未来北极海冰减少的速率将会更大，这将导致北极更早地进入“无冰状态”。另外，该加权方案能够有效减小秋季北极海冰预估的不确定性。加权之后的预估结果表明：在较高排放情景下，北极将很有可能在本世纪中期进入“无冰”的状态。在较低排放情景下，北极将不会在本世纪结束前进入“无冰”的状态。该结果更加凸显了在现有减排政策的基础上进一步加大节能减排力度的重要性和必要性。
最后，对加权预估结果进行了稳定性测试。分析发现在一定范围内调整和改变用于模式加权的评估变量并不会显著地改变加权后CMIP6多模式集合预估的结果。另外，以往大量研究表明内部变率能够显著地影响北极海冰在当前时段内的变率和趋势，以及未来预估的不确定性。然而，通过对比考虑和不考虑内部变率的影响对应的加权后CMIP6模式对秋季北极海冰的预估结果，发现，内部变率并不会影响到本工作中的多模式加权后的预估结果。上述两点表明本工作中的加权后的预估结果是相对客观和稳定的。
图1 加权前（黑线：集合平均，灰色阴影：不确定性）与加权后（彩色实线，彩色阴影）CMIP6多模式历史模拟和预估的（a）SSP1-2.6，（b）SSP2-4.5，（c）SSP3-7.0，（d）SSP5-8.5情景下9月北极海冰范围的变化。紫色实线为卫星观测结果。将9月北极海冰范围首次小于100万平方公里的时间作为北极进入“无冰”状态的时间。
相关论文发表情况
Zhao J., S. He, H. Wang, et al., 2022: Constraining CMIP6 projections of an ice-free Arctic using a weighting scheme. Earth’s Future, 10, e2022EF002708. (第一资助)