Модель ледникового покрова

При климата моделировании модели ледникового покрова используют численные методы для моделирования эволюции, динамики и термодинамики ледниковых щитов , таких как ледниковый щит Гренландии , антарктический ледниковый щит или большие ледниковые щиты в северном полушарии во время последнего ледникового периода . Они используются для самых разных целей: от изучения оледенения Земли в ходе ледниково-межледниковых циклов в прошлом до прогнозов распада ледникового покрова в условиях будущего глобального потепления .

История

Начиная с середины 18 века начались исследования поведения ледникового покрова. С момента основания «Журнала гляциологии » физики публикуют материалы по механике ледников.

Ледяная шапка Барнса

Первая 3-D модель была применена к ледниковой шапке Барнса . первая термодинамически связанная модель, включающая шельфовые ледники , переход между покровами и шельфами, градиенты мембранных напряжений, изостатическую регулировку ложа и базальное скольжение с использованием более совершенных численных методов В 1988 году была разработана и применена к антарктическому ледниковому щиту . Эта модель имела разрешение 40 км и 10 вертикальных слоев.

Когда в 1990 году вышел первый доклад об оценке МГЭИК , ледяные щиты не были активной частью модели климатической системы, их эволюция была основана на корреляции между глобальной температурой и балансом приземной массы. Когда в 1996 году вышел второй оценочный отчет МГЭИК , начало 2D- и 3D-моделирования было показано на ледниковых щитах. В 1990-е годы появилось еще несколько вычислительных моделей, а вместе с ними и Европейская инициатива по моделированию ледникового покрова (EISMINT). В течение 1990-х годов в рамках международного сотрудничества EISMINT провел несколько семинаров, сравнивая большинство моделей Гренландии, Антарктики, шельфового ледника, термомеханической модели и линии заземления.

2000-е годы включали интеграцию первого порядка полной динамики Стокса в модель ледникового покрова. В четвертом оценочном отчете МГЭИК были представлены модели ледникового покрова с прогнозами быстрых динамических реакций льда, что привело к свидетельствам значительной потери льда.

В 2016 году частью этапа 6 проекта взаимного сравнения связанных моделей (этап 6 CMIP) был проект взаимного сравнения моделей ледникового покрова , в котором был определен протокол для всех переменных, связанных с моделированием ледникового покрова. Проект позволил улучшить как численные, так и физические подходы к ледниковым щитам.

Моделирование

Ледяной поток

Приближение мелкого льда

Приближение мелкого льда (SIA) — это простой метод моделирования течения льда без необходимости решения уравнений полного Стокса. Это приближение лучше всего применять к ледниковому щиту с небольшим соотношением глубины к ширине, без значительной динамики скольжения и с простой топографией дна. SIA не учитывает множество сил на ледяном покрове и может считаться моделью «нулевого порядка» . Модель предполагает, что ледяные щиты в основном разделены базальным сдвиговым напряжением , и нет необходимости учитывать другие силы. Также предполагается, что базальное напряжение сдвига и гравитационное напряжение приземленного льда уравновешивают друг друга. Метод вычислительно недорог.

Приближение мелкого шельфа

Приближение мелкого шельфа — это еще один метод моделирования течения льда, в частности течения мембранного типа плавающего льда или скольжения заземленного льда по основанию. Также известные как мембранные модели, они похожи на модели свободной пленки в гидродинамике. В отличие от приближения мелкого льда, приближение мелкого шельфа моделирует течение льда при сильных продольных силах; скользящие и вертикальные силы. SSA также можно считать моделью «нулевого порядка».

Полные уравнения Стокса

Считается выгодным моделировать лед с использованием уравнений Навье-Стокса, поскольку лед представляет собой вязкую жидкость, и они отражают все силы, действующие на лед. Поскольку эти уравнения требуют больших вычислительных затрат, важно включить множество аппроксимаций, чтобы сократить время выполнения. Из-за больших вычислительных затрат их нелегко использовать в больших масштабах, и их можно использовать на определенных участках или сценариях, например, на линиях заземления.

Схема некоторых аспектов модели ледникового покрова

Взаимодействие с другими климатическими компонентами

Ледяные щиты взаимодействуют с окружающей атмосферой, океаном и подледной землей. Все эти интерактивные компоненты должны быть включены, чтобы иметь возможность иметь комплексную модель ледникового покрова.

Базальные условия играют важную роль в определении поведения ледниковых щитов. Базальное термическое состояние (если лед растаял или замерз) и базальную топографию трудно отобразить. Наиболее предпочтительный метод — применить ограничения сохранения массы. Для долгосрочных прогнозов важно спроецировать топографию на континентальный шельф или фьорды, а это может быть затруднительно, если подледниковая топография недостаточно хорошо известна.

Летняя инсоляция вызывает температурные реакции, которые влияют на скорость таяния и баланс массы ледникового покрова. Например, зависимость объема льда от летней инсоляции можно представить как ${d(I) \over d(t)}={1 \over T}(S-I)$, где I – объем льда, ${d(I) \over d(t)}$ – скорость изменения объема льда в единицу времени, T – время реакции ледяного покрова и S – сигнал инсоляции.

Температура воздуха необходима в модели, поскольку она определяет скорость поверхностного таяния и стока. Например, температуру приземного воздуха можно выразить через широту «широта», высоту поверхности h и среднюю температуру, чтобы получить оценку среднегодовых температур: $T_{aml}=temperature-c_{1}*max(h,1000)-c_{2}*lat$. В этом примере предполагается, что поверхность шельфового ледника такая же холодная, как на высоте 1000 метров.

Осадки напрямую связаны с температурой воздуха, а также зависят от влажности над и вокруг ледникового покрова. Осадки играют важную роль в таянии и накоплении ледникового покрова.

Отел

Отел по-прежнему является активной областью исследований в области моделирования ледникового покрова. Общая картина отела будет включать множество различных аспектов, включая, помимо прочего, приливы, базальные трещины, столкновения с айсбергами, толщину и температуру. Недавнее развитие концепций нестабильности морского ледяного покрова и нестабильности морских ледяных скал способствовало получению более точных результатов процессов откалывания ледникового покрова.

Примеры

СИЗМ

Модель ледового покрова сообщества является частью модели систем Земли сообщества, финансируемой Национальным научным фондом, и моделирует динамику льда. Он написан на Фортране 90 и имеет открытый исходный код . США Министерство энергетики начало вносить свой вклад в CISM. Проект CISM работает над другими смежными проектами по разработке учебного плана для расширения знаний о ледниковых щитах и ​​привлечению более широкого сообщества к моделированию ледникового покрова. Многие программы моделирования ледникового покрова оказали влияние на CISM, в том числе Модель параллельного ледникового покрова (PSIM) и Glimmer.

seaRISE

Реакция уровня моря на эволюцию ледникового щита (SeaRISE) — это подсообщество CISM, целью которого является оценка верхнего предела повышения уровня моря из-за ледниковых щитов. В рамках проекта планируется разработать набор экспериментов и оценок для моделирования ледникового покрова и повышения уровня моря, а также создать единый набор входных данных для моделей ледникового покрова.

мерцание

Glimmer ( Модель наземного льда GENIE с множественными регионами) — это модель ледникового покрова, изначально созданная для создания более полной модели земной системы GENIE.

ПИЗМ

Модель параллельного ледникового покрова — это трехмерная модель ледникового покрова с открытым исходным кодом, поддерживающая высокое разрешение. PISM написан на C++ и Python и принимает файлы NetCDF в качестве входных данных для модели. PISM использует модель «гибрид SIA + SSA», используя как аппроксимацию мелкого шельфа, так и модели аппроксимации мелкого льда в качестве моделей баланса напряжений, и не решает полные уравнения Стокса. Модель получает климатическую информацию из внешней модели общей циркуляции и нуждается в такой информации, как граничная температура, поток массы во лед, осадки и температура воздуха.

Используется горизонтальная сетка с равными расстояниями и переменной вертикальной осью, работающая в годовом масштабе.

См. также

• Модель биосферы
• Динамика ледникового покрова
• Повышение уровня моря

Модели ледникового покрова в Интернете

• СИЗМ – Модель ледового покрова сообщества, разрабатываемая как компонент наземного льда модели системы Земли сообщества (CESM).
• Элмер/Айс – мультифизическая программа конечных элементов со специальными модулями для анализа динамики льда при полном напряжении.
• ИССМ – Модель системы ледникового покрова, многоцелевая система конечных элементов с массовым параллелизмом, предназначенная для моделирования систем ледникового покрова (термомеханическая связь, ассимиляция данных, анализ чувствительности и т. д.)
• ПИЗМ – Модель параллельного ледникового щита, включающая шельфовые ледники и ледяные потоки.
• СИКОПОЛЬ – Код SIMulation для ПОЛитермальных ледниковых щитов, трехмерная модель ледникового покрова, которая учитывает политермические условия (сосуществование льда при температуре таяния и ниже в различных частях ледникового покрова).