CICE (модель морского льда)

CICE ( / s aɪ s / ) — компьютерная модель , моделирующая рост, таяние и движение морского льда . Он был интегрирован во многие модели связанных климатических систем , а также в модели глобального океана и прогнозирования погоды и часто используется в качестве инструмента в Арктики и Южного океана . исследованиях Разработка CICE началась в середине 1990-х годов Министерством энергетики США (DOE), и в настоящее время она поддерживается и развивается группой учреждений в Северной Америке и Европе, известной как Консорциум CICE. Его широкое использование в науке о системе Земли отчасти связано с важностью морского льда для определения планетарного альбедо Земли , силы глобальной термохалинной циркуляции в мировых океанах, а также для обеспечения поверхностных граничных условий для моделей атмосферной циркуляции , поскольку морской лед занимает значительная часть (4-6%) поверхности Земли . CICE — это разновидность модели криосферы.

Разработка

Результаты CICE в рамках объединенной климатической модели: в среднем за 2000–2004 гг. (a) март и (b) сентябрь Толщина и протяженность антарктического морского льда более 15% (морской лед с концентрацией ) пяти членов ансамбля из модели системы Земли Сообщества (CESM) ) большой ансамбль. Пурпурный контур — это измеренная кромка льда согласно NOAA записи климатических данных .

Разработка CICE началась в 1994 году Элизабет Ханке из Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL). упруго-вязкостно-пластического (EVP) морского льда , реологии С момента ее первого выпуска в 1998 году после разработки в модели он был существенно развит международным сообществом пользователей и разработчиков моделей. энтальпии с сохранением термодинамика и улучшения толщины морского льда . распределения В период с 1998 по 2005 год к модели были добавлены Первым институциональным пользователем за пределами LANL была Военно-морская аспирантура. в конце 1990-х годов, где впоследствии в 2011 году он был включен в Модель региональной арктической системы (RASM). Национальный центр атмосферных исследований (NCAR) был первым, кто включил CICE в глобальную климатическую модель в 2002 году. и разработчики модели системы Земли сообщества NCAR (CESM) продолжают вносить свой вклад в инновации CICE. и использовали его для исследования полярной изменчивости климатической системы Земли. ВМС США начали использовать CICE вскоре после 2000 года для полярных исследований и прогнозирования морского льда и продолжают делать это сегодня. С 2000 года разработка CICE или объединение моделей океана и атмосферы для прогнозирования погоды и климата происходит в Университете Рединга . Университетский колледж Лондона , Метеорологическое бюро Великобритании , Хэдли-центр , Окружающая среда и изменение климата Канада , Датский метеорологический институт , Организация Содружества по науке и промышленным исследованиям , и Пекинский педагогический университет , среди других учреждений. В результате разработки модели в глобальном сообществе пользователей CICE компьютерный код модели теперь включает в себя обширную соленого библиотеку физики и биогеохимии мягких слоев льда, которая включает термодинамику , анизотропная механика сплошных сред , Дельта-Эддингтон Перенос излучения , плавильного пруда физика и припайный лед . CICE версии 6 представляет собой программное обеспечение с открытым исходным кодом и было выпущено в 2018 году на GitHub .

Краеугольные уравнения

Существует два основных физических уравнения, решенных с использованием численных методов в CICE, которые лежат в основе прогнозов модели о толщине , концентрации и скорости морского льда , а также прогнозы, сделанные с помощью многих уравнений, не показанных здесь, дающих, например, альбедо поверхности , соленость льда , снежный покров. , дивергенция и биогеохимические циклы . Первое ключевое уравнение — это второй закон Ньютона для морского льда:

$m{\frac {d\mathbf {u} }{dt}}=-mf\mathrm {k} \times \mathbf {u} +\tau _{a}+\tau _{w}-m\mathrm {\hat {g}} \nabla \mu +\nabla \cdot \mathbf {\sigma }$

где $m$ — масса соленого льда на поверхности моря на единицу площади, $\mathbf {u}$ – скорость дрейфа льда, $f$ – параметр Кориолиса , $\mathrm {k}$ - восходящий единичный вектор, нормаль к поверхности моря, $\tau _{a}$ и $\tau _{w}$ – ветровое и водное напряжение на льду соответственно, $\mathrm {\hat {g}}$ ускорение силы тяжести , $\mu$ - высота поверхности моря и $\mathbf {\sigma }$ внутренний лед — двумерный тензор напряжений во льду. Каждое из условий требует информации о толщине, шероховатости и концентрации льда, а также о состоянии пограничных слоев атмосферы и океана. Масса льда на единицу площади $m$ определяется с использованием второго ключевого уравнения в CICE, которое описывает эволюцию распределения толщины морского льда $g(h)$ для разной толщины $h$ распространение площади, для которой скорость морского льда рассчитана выше:

${\frac {dg}{dt}}=\theta +\psi -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )$

где $\theta$ – изменение распределения толщины вследствие термодинамического роста и плавления, $\psi$ является функцией перераспределения, обусловленной механикой морского льда и связанной с внутренним ледовым напряжением $\mathbf {\sigma }$, и $-g(\nabla \cdot \mathbf {u} )$ описывает адвекцию морского льда в лагранжевой системе отсчета . Отсюда масса льда определяется как:

$m=\rho \int _{0}^{\infty }h\,g(h)\,dh$

по плотности $\rho$ морского льда.

Дизайн кода

Схема, демонстрирующая размещение ледяного пакета, в котором распределение толщины $g(h)$ представлен (синий) в dycore MPAS (зеленый), который учитывает эволюцию импульса и горизонтальную адвекцию морского льда на неструктурированной сетке E3SM (стрелки)

CICE версии 6 закодирован на FORTRAN90 . Он организован в динамическое ядро ​​(dycore) и отдельный пакет физики столбцов под названием Icepack , который поддерживается как подмодуль CICE на GitHub. Описанные выше уравнения импульса и адвекции толщины выполняются с шагом во времени на четырехугольной B-сетке Аракавы внутри динамического ядра, в то время как Icepack решает диагностические и прогностические уравнения, необходимые для расчета радиационной физики, гидрологии, термодинамики и вертикальной биогеохимии, включая члены, необходимые для расчета. $\tau _{a}$, $\tau _{w}$, $\mathbf {\sigma }$, $\theta$, и $\psi$ определено выше. CICE может работать независимо, как показано на первом рисунке на этой странице, но часто он сочетается с моделями систем заземления через внешний преобразователь потока, например, преобразователь потока CESM от NCAR. результаты которого показаны на втором рисунке для Большого ансамбля CESM. Физика колонн была выделена в Icepack для версии 6, чтобы обеспечить возможность вставки в модели земной системы, которые используют собственное динамическое ядро ​​морского льда, включая новую модель земной системы DOE Energy Exascale (E3SM), который использует неструктурированную сетку в компоненте морского льда Модели прогнозирования в масштабах (MPAS), как показано на последнем рисунке.

См. также

• Морской лед
• Микробиальные сообщества морского льда
• Моделирование излучательной способности морского льда
• Процессы роста морского льда
• Концентрация морского льда
• Толщина морского льда
• Физика морского льда и экосистемный эксперимент
• Северный Ледовитый океан
• Южный океан
• Климатическая модель
• Прогноз погоды
• Северный морской путь
• Северо-Западный проход
• Антарктида

Внешние ссылки

• Информационная страница консорциума CICE на GitHub
• Модель консорциума CICE по освоению морского льда
• Icepack: основная физика для моделей морского льда
• Моделирование морского льда по инициативе сообщества совместно с Консорциумом CICE (Свидетельствуем об Арктике)
• Пресс-релиз НОАА
• Океаны глубоко
• Тихоокеанский стандарт
• phys.org: Обновление модели арктического льда пойдет на пользу полярным исследованиям, промышленности и армии
• Морской лед: больше, чем просто замерзшая вода (Санта-Фе, Нью-Мексико)
• Энергетическая экзамасштабная модель системы Земли (E3SM)
• Модель системы Земли сообщества (CESM)