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气候系统是由大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈等五大圈层组成，这些圈层之间存在着紧密而复杂的相互作用，发展地球系统或气候系统数值模式，并对各圈层和圈层间相互作用的物理、化学及其生态过程进行数值模拟研究，已经成为现代地球系统科学中一种重要的研究手段。在气候系统中，海洋和海冰是重要的组成部分，因此对海洋环流和海冰的模拟能力是气候系统模式整体性能的重要标志之一。本论文使用了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)开发的最新一代的耦合气候系统模式FGOALS-f3-L，它也是中国参加第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的耦合模式之一。
在CMIP6计划中，工业化前对照试验(piControl)和历史气候模拟试验(historical)是最为基础的试验，可以体现模式的稳定性和对于历史气候的模拟性能。本研究对于FGOALS-f3-L在piControl和historical试验中模拟的海洋环流和海冰进行了一系列评估并分析其偏差形成的机理，得到以下几点结论:(1)模式具有较好的长期稳定性，可以稳定无漂移地运行500年以上。(2)模式模拟的海表温度(SST)重现了1850年以来观测到的升温趋势，SST的空间分布接近观测，FGOALS-s2中东西边界的偏差明显减小。主要的偏差包括中纬度的冷偏差、西北大西洋的冷偏差及南极环绕流(ACC)的暖偏差，中纬度冷偏差与西边界流模拟能力不足有关，西北大西洋的冷偏差和ACC的暖偏差与偏弱的对流过程有关，西北大西洋的冷偏差还与海冰偏多有关。(3)海表盐度(SSS)的主要偏差是副热带地区淡偏差和北大西洋的淡偏差，副热带淡偏差与降水偏多有关，北大西洋的淡偏差与海冰偏多造成的蒸发偏少有关。(4)混合层厚度(MLD)修正了FGOALS-s2中高纬度深偏差，现有主要模拟偏差是中纬度的深偏差、南极周围的浅偏差以及北大西洋中大范围偏浅小范围偏深的异常分布。中纬度的深偏差与偏强的风应力有关，南极周围的浅偏差与偏弱的对流过程有关，北大西洋的异常分布与偏弱的对流过程、偏多的海冰和偏低的SSS都有关系。(5)海洋的温盐垂直结构接近观测，特别是深水团特征比FGOALS-s2更加合理，主要的深厚偏差存在于北半球高纬度地区。(6)经向翻转环流(MOC)显示出观测的环流特征，与之相应的经向热输送(MHT)也与观测值接近，并能重现出观测到的1980年以来AMOC强度的下降趋势。(7)北极海冰自1980年以来的下降趋势得以重现，但是模拟的海冰密集度(SIC)在拉布拉多海至巴伦支海明显偏多，这种偏多与北半球高纬度的海洋环流偏差位置一致，显示它们之间存在密切的联系。(8)北极中心海冰厚度(SIT)明显偏高，这种偏高造成的海冰向南输送偏多也对北大西洋的SSS淡偏差有很大贡献。(9)两极海冰范围的季节循环都偏强，北极冬季海冰偏多夏季偏少，南极则全年偏少。
由于北半球高纬度海洋和海冰偏差明显并且有密切联系，本文将一个成熟的资料同化系统成功地移植到FGOALS-f3-L耦合模式，建立了一个基于耦合模式的海冰资料同化系统，进而利用观测北极海冰密集度(SIC)和海冰厚度(SIT)进行了一系列同化试验，用来研究这些海冰偏差的增长过程以及海冰-海洋-大气之间的相互作用，得到以下结论:(1)同化SIC和SIT可以带来明显初始修正，起始时间越接近夏季修正保持得越久，显示模式中冬春季冻结过程偏强。(2)同化SIT在夏季前对于SIC有改善，但在夏季会导致SIC剧烈下降，这是因为模式中SIT整体偏高，这种SIT偏高在耦合调整下导致了偏强的夏季融化过程，造成夏季偏高的SIT对应偏低的SIC，使同化降低SIT后海冰变得更易融化。因此这种SIT系统偏差是模式在海冰模拟方面最主要、影响最大的偏差，需要重点改进。(3)同化试验中海洋环流的改进主要是海表热量和水分通量修正造成的，深海改进较小，说明海冰在耦合气候系统高纬度偏差形成过程中相对被动，大气和海洋可能才是高纬度偏差的主导因素。但持续改善海冰对整体模式模拟有改进作用，因此要注重提高模式对海冰的模拟能力。
在CMIP6计划中，工业化前对照试验(piControl)和历史气候模拟试验(historical)是最为基础的试验，可以体现模式的稳定性和对于历史气候的模拟性能。本研究对于FGOALS-f3-L在piControl和historical试验中模拟的海洋环流和海冰进行了一系列评估并分析其偏差形成的机理，得到以下几点结论:(1)模式具有较好的长期稳定性，可以稳定无漂移地运行500年以上。(2)模式模拟的海表温度(SST)重现了1850年以来观测到的升温趋势，SST的空间分布接近观测，FGOALS-s2中东西边界的偏差明显减小。主要的偏差包括中纬度的冷偏差、西北大西洋的冷偏差及南极环绕流(ACC)的暖偏差，中纬度冷偏差与西边界流模拟能力不足有关，西北大西洋的冷偏差和ACC的暖偏差与偏弱的对流过程有关，西北大西洋的冷偏差还与海冰偏多有关。(3)海表盐度(SSS)的主要偏差是副热带地区淡偏差和北大西洋的淡偏差，副热带淡偏差与降水偏多有关，北大西洋的淡偏差与海冰偏多造成的蒸发偏少有关。(4)混合层厚度(MLD)修正了FGOALS-s2中高纬度深偏差，现有主要模拟偏差是中纬度的深偏差、南极周围的浅偏差以及北大西洋中大范围偏浅小范围偏深的异常分布。中纬度的深偏差与偏强的风应力有关，南极周围的浅偏差与偏弱的对流过程有关，北大西洋的异常分布与偏弱的对流过程、偏多的海冰和偏低的SSS都有关系。(5)海洋的温盐垂直结构接近观测，特别是深水团特征比FGOALS-s2更加合理，主要的深厚偏差存在于北半球高纬度地区。(6)经向翻转环流(MOC)显示出观测的环流特征，与之相应的经向热输送(MHT)也与观测值接近，并能重现出观测到的1980年以来AMOC强度的下降趋势。(7)北极海冰自1980年以来的下降趋势得以重现，但是模拟的海冰密集度(SIC)在拉布拉多海至巴伦支海明显偏多，这种偏多与北半球高纬度的海洋环流偏差位置一致，显示它们之间存在密切的联系。(8)北极中心海冰厚度(SIT)明显偏高，这种偏高造成的海冰向南输送偏多也对北大西洋的SSS淡偏差有很大贡献。(9)两极海冰范围的季节循环都偏强，北极冬季海冰偏多夏季偏少，南极则全年偏少。
由于北半球高纬度海洋和海冰偏差明显并且有密切联系，本文将一个成熟的资料同化系统成功地移植到FGOALS-f3-L耦合模式，建立了一个基于耦合模式的海冰资料同化系统，进而利用观测北极海冰密集度(SIC)和海冰厚度(SIT)进行了一系列同化试验，用来研究这些海冰偏差的增长过程以及海冰-海洋-大气之间的相互作用，得到以下结论:(1)同化SIC和SIT可以带来明显初始修正，起始时间越接近夏季修正保持得越久，显示模式中冬春季冻结过程偏强。(2)同化SIT在夏季前对于SIC有改善，但在夏季会导致SIC剧烈下降，这是因为模式中SIT整体偏高，这种SIT偏高在耦合调整下导致了偏强的夏季融化过程，造成夏季偏高的SIT对应偏低的SIC，使同化降低SIT后海冰变得更易融化。因此这种SIT系统偏差是模式在海冰模拟方面最主要、影响最大的偏差，需要重点改进。(3)同化试验中海洋环流的改进主要是海表热量和水分通量修正造成的，深海改进较小，说明海冰在耦合气候系统高纬度偏差形成过程中相对被动，大气和海洋可能才是高纬度偏差的主导因素。但持续改善海冰对整体模式模拟有改进作用，因此要注重提高模式对海冰的模拟能力。