CICE (модель морского льда)
Компьютерная модель, имитирующая морской лед

CICE ( / s aɪ s / ) — это компьютерная модель , которая имитирует рост, таяние и движение морского льда . Она была интегрирована во многие сопряженные модели климатической системы , а также в глобальные модели прогнозирования океана и погоды и часто используется в качестве инструмента в исследованиях Арктики и Южного океана . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 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. [10] Ее широкое использование в науке о системе Земли отчасти обусловлено важностью морского льда в определении планетарного альбедо Земли , силы глобальной термохалинной циркуляции в мировых океанах и в обеспечении граничных условий поверхности для моделей атмосферной циркуляции , поскольку морской лед занимает значительную долю (4-6%) поверхности Земли . [11] [12] CICE — это тип криосферной модели.

Разработка

Изображение морского льда Антарктиды, смоделированное с помощью модели системы Земля Сообщества
Выходные данные CICE в рамках сопряженной климатической модели: усредненные толщина и протяженность морского льда Антарктиды за период 2000-2004 гг. (a) в марте и (b) в сентябре ( концентрация морского льда более 15% ) пяти членов ансамбля из большого ансамбля модели системы Земли Сообщества (CESM). [13] Пурпурный контур — это измеренная кромка льда в соответствии с данными NOAA Climate Data Record . [14]

Разработка CICE началась в 1994 году Элизабет Ханке в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). [12] [15] С момента своего первоначального выпуска в 1998 году после разработки упруго-вязко-пластичной (EVP) реологии морского льда в рамках модели [16] , она была существенно развита международным сообществом пользователей и разработчиков моделей. Сохраняющая энтальпию термодинамика и улучшения распределения толщины морского льда были добавлены в модель между 1998 и 2005 годами. [17] [18] [19] Первым институциональным пользователем за пределами LANL была Военно-морская аспирантура [15] в конце 1990-х годов, где она впоследствии была включена в модель региональной арктической системы (RASM) в 2011 году. [20] [21] Национальный центр атмосферных исследований (NCAR) был первым, кто включил CICE в глобальную климатическую модель в 2002 году, [22] а разработчики модели системы Земли сообщества NCAR (CESM) продолжили вносить вклад в инновации CICE [23] [24] [25] и использовали ее для исследования полярной изменчивости в климатической системе Земли. [13] Военно-морские силы США начали использовать CICE вскоре после 2000 года для полярных исследований и прогнозирования морского льда, и продолжают делать это сегодня. [3] [26] С 2000 года разработка CICE или сопряжение с океаническими и атмосферными моделями для прогнозирования погоды и климата осуществлялось в Университете Рединга , [27] Университетском колледже Лондона , [28] Центре Хэдли Метеорологического бюро Великобритании , [29] Экологии и изменения климата Канады , [7] Датском метеорологическом институте , [4] Организации научных и промышленных исследований Содружества , [30] и Пекинском педагогическом университете , [8] среди других учреждений. В результате разработки модели в мировом сообществе пользователей CICE компьютерный код модели теперь включает в себя всеобъемлющую библиотеку физики соленого льда и биогеохимии , которая включает термодинамику кашеобразного слоя , [31] [32] механику анизотропной сплошной среды , [33] Перенос излучения дельта-Эддингтона , [34] физика талых прудов [35] [36] и припайный лед . [37] CICE версии 6 — это программное обеспечение с открытым исходным кодом , выпущенное в 2018 году на GitHub . [38]

Уравнения Keystone

Есть два основных уравнения физики, решенных с использованием численных методов в CICE, которые лежат в основе прогнозов модели толщины морского льда , концентрации и скорости , а также прогнозов, сделанных с помощью многих уравнений, не показанных здесь, дающих, например, альбедо поверхности , соленость льда , снежный покров, дивергенцию и биогеохимические циклы . Первое краеугольное уравнение — это второй закон Ньютона для морского льда:

м г ты г т = − м ф к × ты + τ а + τ ж − м г ^ ∇ μ + ∇ ⋅ σ {\displaystyle 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 — масса на единицу площади соленого льда на поверхности моря, — скорость дрейфа льда, — параметр Кориолиса , — единичный вектор, направленный вверх по нормали к поверхности моря, и — ветровое и водное напряжение на льду соответственно, — ускорение силы тяжести , — высота поверхности моря , — внутренний лед — двумерный тензор напряжений внутри льда. [16] Каждый из терминов требует информации о толщине льда, его шероховатости и концентрации, а также о состоянии пограничных слоев атмосферы и океана. Масса льда на единицу площади определяется с помощью второго ключевого уравнения в CICE, которое описывает эволюцию распределения толщины морского льда для различных толщин распространения области, для которой скорость морского льда вычисляется выше: [18] m {\displaystyle m} u {\displaystyle \mathbf {u} } f {\displaystyle f} k {\displaystyle \mathrm {k} } τ a {\displaystyle \tau _{a}} τ w {\displaystyle \tau _{w}} g ^ {\displaystyle \mathrm {\hat {g}} } μ {\displaystyle \mu } σ {\displaystyle \mathbf {\sigma } } m {\displaystyle m} g ( h ) {\displaystyle g(h)} h {\displaystyle h}

d g d t = θ + ψ − g ( ∇ ⋅ u ) {\displaystyle {\frac {dg}{dt}}=\theta +\psi -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )}

где — изменение распределения толщины из-за термодинамического роста и таяния, — функция перераспределения из-за механики морского льда, связана с внутренним напряжением льда и описывает адвекцию морского льда в лагранжевой системе отсчета . [18] [19] Отсюда масса льда определяется как: θ {\displaystyle \theta } ψ {\displaystyle \psi } σ {\displaystyle \mathbf {\sigma } } − g ( ∇ ⋅ u ) {\displaystyle -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )}

m = ρ ∫ 0 ∞ h g ( h ) d h {\displaystyle m=\rho \int _{0}^{\infty }h\,g(h)\,dh}

для плотности морского льда. [38] ρ {\displaystyle \rho }

Дизайн кода

Ледяной пакет на неструктурированной сетке декора
Схема, демонстрирующая размещение ледяного покрова, на котором представлено распределение толщины (синий цвет), в ядре MPAS (зеленый цвет), которое решает задачу эволюции импульса и горизонтальной адвекции морского льда на неструктурированной сетке E3SM (стрелки) g ( h ) {\displaystyle g(h)}

CICE версии 6 написан на FORTRAN90 . Он организован в динамическое ядро ​​(dycore) и отдельный пакет физики столбцов под названием Icepack , который поддерживается как подмодуль CICE на GitHub. [39] Уравнение импульса и адвекция толщины, описанные выше, пошаговые на четырехугольной B -сетке Аракавы в динамическом ядре, в то время как Icepack решает диагностические и прогностические уравнения, необходимые для расчета радиационной физики, гидрологии, термодинамики и вертикальной биогеохимии, включая термины, необходимые для расчета , , , , и определенные выше. CICE может работать независимо, как на первом рисунке на этой странице, но часто сочетается с моделями земных систем через внешний соединитель потока, такой как CESM Flux Coupler от NCAR [22], для которого результаты показаны на втором рисунке для CESM Large Ensemble. Физика столбцов была выделена в Icepack для выпуска версии 6, чтобы обеспечить возможность вставки в модели земной системы, использующие собственное динамическое ядро ​​морского льда, включая новую модель земной системы DOE Exascale Energy (E3SM) [38] [40] , которая использует неструктурированную сетку в компоненте морского льда Модели для прогнозирования в разных масштабах (MPAS) [41] [42], как показано на последнем рисунке. τ a {\displaystyle \tau _{a}} τ w {\displaystyle \tau _{w}} σ {\displaystyle \mathbf {\sigma } } θ {\displaystyle \theta } ψ {\displaystyle \psi }

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Робертс, Эндрю; Ханке, Элизабет; Аллард, Ричард; Бейли, Дэвид; Крейг, Энтони; Лемье, Жан-Франсуа; Тернер, Мэтью (2018). «Контроль качества разработки модели морского льда на основе сообщества». Philosophical Transactions of the Royal Society A. 376 ( 2129): 17. Bibcode : 2018RSPTA.37670344R. doi : 10.1098/rsta.2017.0344. PMC  6107617. PMID  30126915 .
  2. ^ Walters, DN; Hunke, EC; Harris, CM; West, AE; Ridley, JK; Keen, AB; Hewitt, HT ; Rae, JGL (2015-07-24). "Разработка конфигурации Global Sea Ice 6.0 CICE для глобальной связанной модели Met Office". Geoscientific Model Development . 8 (7): 2221–2230. Bibcode : 2015GMD.....8.2221R. doi : 10.5194/gmd-8-2221-2015 . ISSN  1991-959X.
  3. ^ ab Metzger, E. Joseph; Smedstad, Ole Martin; Thoppil, Prasad; Hurlburt, Harley; Cummings, James; Walcraft, Alan; Zamudio, Luis; Franklin, Deborah; Posey, Pamela (2014-09-01). "US Navy Operational Global Ocean and Arctic Ice Prediction Systems". Oceanography . 27 (3): 32–43. doi : 10.5670/oceanog.2014.66 . ISSN  1042-8275.
  4. ^ ab "DMI Ocean Models [HYCOM]". ocean.dmi.dk . Получено 21.12.2018 .
  5. ^ Канада, Окружающая среда и изменение климата (2009-11-12). "Последние ледовые условия". aem . Получено 2018-12-21 .
  6. ^ "ESRL : PSD : PSD Arctic Sea Ice Forecast". www.esrl.noaa.gov . Получено 21.12.2018 .
  7. ^ ab Lemieux, Jean-François; Beaudoin, Christiane; Dupont, Frédéric; Roy, François; Smith, Gregory C.; Shlyaeva, Anna; Buehner, Mark; Caya, Alain; Chen, Jack (2016). "The Regional Ice Prediction System (RIPS): verification of forecasted sea ice concentrate". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 142 (695): 632–643. Bibcode : 2016QJRMS.142..632L. doi : 10.1002/qj.2526 . ISSN  1477-870X.
  8. ^ ab Stocker, Thomas (2013). Изменение климата 2013: физическая научная основа: вклад Рабочей группы I в пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Межправительственная группа экспертов по изменению климата, Рабочая группа I. Кембридж, Соединенное Королевство: Cambridge University Press. ISBN 9781107661820. OCLC  875970367.
  9. ^ Хорват, Кристофер; Джонс, Дэвид Риз; Ямс, Сара; Шредер, Дэвид; Флокко, Даниэла; Фелтхэм, Даниэль (2017). «Частота и масштабы цветения фитопланктона под льдом в Северном Ледовитом океане». Science Advances . 3 (3): e1601191. Bibcode :2017SciA....3E1191H. doi :10.1126/sciadv.1601191. ISSN  2375-2548. PMC 5371420 . PMID  28435859. 
  10. ^ Справочная информация и вспомогательная информация для консорциума CICE: CICE-Consortium/About-Us, CICE Consortium, 2018-08-27 , получено 2018-12-21
  11. ^ Томас, Дэвид (2017). Sea Ice . Wiley-Blackwell. ISBN 978-1118778388.
  12. ^ ab Hunke, Elizabeth (2017). «Лекция Ротшильда: Моделирование крупномасштабного морского льда: общественные потребности и развитие сообщества». Лекция в Институте математических наук Исаака Ньютона, Кембриджский университет, Великобритания .
  13. ^ ab Kay, JE; Deser, C.; Phillips, A.; Mai, A.; Hannay, C.; Strand, G.; Arblaster, JM; Bates, SC; Danabasoglu, G. (2015). «Проект большого ансамбля модели системы Земли сообщества (CESM): ресурс сообщества для изучения изменения климата в присутствии внутренней изменчивости климата». Бюллетень Американского метеорологического общества . 96 (8): 1333–1349. Bibcode : 2015BAMS...96.1333K. doi : 10.1175/bams-d-13-00255.1 . ISSN  0003-0007.
  14. ^ Мейер, ВН; Феттерер (2017). "NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration, Version 3 | National Snow and Ice Data Center" (набор данных). NSIDC. doi :10.7265/n59p2ztg. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  15. ^ ab "Краткая история основных этапов и сотрудничества CICE". GitHub . 12 февраля 2018 г. Получено 21 декабря 2018 г.
  16. ^ ab Hunke, EC; Dukowicz, JK (1997). "Упруго-вязко-пластическая модель для динамики морского льда". Журнал физической океанографии . 27 (9): 1849–1867. Bibcode :1997JPO....27.1849H. doi : 10.1175/1520-0485(1997)027<1849:AEVPMF>2.0.CO;2 .
  17. ^ Битц, CM ; Липскомб, Уильям Х. (1999). «Энергосберегающая термодинамическая модель морского льда». Журнал геофизических исследований: Океаны . 104 (C7): 15669–15677. Bibcode : 1999JGR...10415669B. doi : 10.1029/1999JC900100 . ISSN  2156-2202.
  18. ^ abc Lipscomb, William H. (2001-07-15). "Повторное картирование распределения толщины в моделях морского льда". Journal of Geophysical Research: Oceans . 106 (C7): 13989–14000. Bibcode : 2001JGR...10613989L. doi : 10.1029/2000jc000518 . ISSN  0148-0227.
  19. ^ ab Lipscomb, William H.; Hunke, Elizabeth C. (2005). «Моделирование переноса морского льда с использованием инкрементного перекартирования». Monthly Weather Review . 132 (6): 1341–1354. doi : 10.1175/1520-0493(2004)132<1341:msitui>2.0.co;2 . ISSN  0027-0644.
  20. ^ Робертс, Эндрю; Крейг, Энтони; Масловски, Вислав; Осински, Роберт; Дювивье, Элис; Хьюз, Мими; Нийссен, Барт; Кассано, Джон; Брунке, Майкл (2015). «Моделирование транзитного переноса льда и океана Экмана в модели региональной арктической системы и модели системы сообщества Земли». Annals of Glaciology . 56 (69): 211–228. Bibcode : 2015AnGla..56..211R. doi : 10.3189/2015AoG69A760 .
  21. ^ Jin, Meibing; Deal, Clara; Maslowski, Wieslaw; Matrai, Patricia ; Roberts, Andrew; Osinski, Robert; Lee, Younjoo J.; Frants, Marina; Elliott, Scott (2018). «Влияние разрешения модели и смешивания океана на физическое и биогеохимическое моделирование взаимодействия льда и океана с использованием глобальных и региональных системных моделей». Journal of Geophysical Research: Oceans . 123 (1): 358–377. Bibcode : 2018JGRC..123..358J. doi : 10.1002/2017JC013365 . hdl : 10945/57878 . ISSN  2169-9291.
  22. ^ ab Kauffman, Brian G.; Large, William G. (1 августа 2002 г.). "The CCSM Coupler Version 5.0.1" (PDF) . GitHub . Получено 21 декабря 2018 г. .
  23. ^ Холланд, Марика ; Бейли, Дэвид; Бриглеб, Брюс; Лайт, Бонни; Ханке, Элизабет (2012). «Улучшенная физика коротковолнового излучения морского льда в CCSM4: воздействие талых прудов и аэрозолей на арктический морской лед». Журнал климата . 25 (5): 1413–1430. Bibcode : 2012JCli...25.1413H. doi : 10.1175/JCLI-D-11-00078.1 .
  24. ^ Jahn, Alexandra; Sterling, Kara; Holland, Marika M .; Kay, Jennifer E.; Maslanik, James A.; Bitz, Cecilia M.; Bailey, David A.; Stroeve, Julienne ; Hunke, Elizabeth C. (2012). «Моделирование свойств арктического морского льда и океана в конце двадцатого века в CCSM4». Journal of Climate . 25 (5): 1431–1452. Bibcode : 2012JCli...25.1431J. doi : 10.1175/jcli-d-11-00201.1 . ISSN  0894-8755.
  25. ^ Hurrell, James W.; Holland, MM ; Gent, PR; Ghan, S.; Kay, Jennifer E.; Kushner, PJ; Lamarque, J.-F.; Large, WG; Lawrence, D. (2013). «Модель системы сообщества Земли: структура для совместных исследований». Бюллетень Американского метеорологического общества . 94 (9): 1339–1360. Bibcode : 2013BAMS...94.1339H. doi : 10.1175/bams-d-12-00121.1 . ISSN  0003-0007. OSTI  1565081. S2CID  24603627.
  26. ^ Хеберт, Дэвид А.; Аллард, Ричард А.; Мецгер, Э. Джозеф; Поузи, Памела Г.; Преллер, Рут Х.; Уолкрафт, Алан Дж.; Фелпс, Майкл У.; Смедстад, Оле Мартин (2015). «Краткосрочное прогнозирование морского льда: оценка прогнозов концентрации льда и дрейфа льда с использованием системы прогнозирования/наблюдения за арктической зоной ВМС США». Журнал геофизических исследований: Океаны . 120 (12): 8327–8345. Bibcode : 2015JGRC..120.8327H. doi : 10.1002/2015jc011283 . ISSN  2169-9275.
  27. ^ Tsamados, M.; Feltham, DL; Wilchinsky, AV (2013). "Влияние новой анизотропной реологии на моделирование арктического морского льда" (PDF) . Journal of Geophysical Research: Oceans . 118 (1): 91–107. Bibcode :2013JGRC..118...91T. doi :10.1029/2012JC007990. ISSN  2169-9291. S2CID  36428980.
  28. ^ Wilchinsky, Alexander V.; Feltham, Daniel L.; Miller, Paul A. (2006). «Модель многослойного морского льда с учетом трения скольжения». Journal of Physical Oceanography . 36 (9): 1719–1738. Bibcode :2006JPO....36.1719W. CiteSeerX 10.1.1.569.7380 . doi :10.1175/jpo2937.1. ISSN  0022-3670. S2CID  909406. 
  29. ^ Ридли, Джефф К.; Блокли, Эдвард У.; Кин, Энн Б.; Рэй, Джейми ГЛ; Уэст, Алекс Э.; Шредер, Дэвид (27.02.2018). «Модель морского льда как компонента HadGEM3-GC3.1». Geoscientific Model Development . 11 (2): 713–723. Bibcode : 2018GMD....11..713R. doi : 10.5194/gmd-11-713-2018 . ISSN  1991-9603.
  30. ^ Uotila, P.; O'Farrell, S.; Marsland, SJ; Bi, D. (2012-07-01). «Исследование чувствительности морского льда с использованием глобальной модели океанического льда». Ocean Modelling . 51 : 1–18. Bibcode : 2012OcMod..51....1U. doi : 10.1016/j.ocemod.2012.04.002. ISSN  1463-5003.
  31. ^ Feltham, DL; Untersteiner, N.; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2006). «Морской лед — это мягкий слой» (PDF) . Geophysical Research Letters . 33 (14). Bibcode : 2006GeoRL..3314501F. doi : 10.1029/2006GL026290. ISSN  1944-8007. S2CID  1235532.
  32. ^ Тернер, Адриан К.; Ханке, Элизабет К. (2015). «Влияние термодинамического подхода с использованием слоя кашеобразных слоев на глобальное моделирование морского льда с использованием модели морского льда CICE». Журнал геофизических исследований: Океаны . 120 (2): 1253–1275. Bibcode : 2015JGRC..120.1253T. doi : 10.1002/2014jc010358 . ISSN  2169-9275.
  33. ^ Вильчинский, Александр В.; Фелтем, Дэниел Л. (2006-06-01). «Анизотропная модель динамики гранулированного морского льда». Журнал механики и физики твердого тела . 54 (6): 1147–1185. Bibcode : 2006JMPSo..54.1147W. doi : 10.1016/j.jmps.2005.12.006. ISSN  0022-5096.
  34. ^ Briegleb, Bruce P. (1992). «Аппроксимация дельта-Эддингтона для солнечной радиации в климатической модели сообщества NCAR». Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 97 (D7): 7603–7612. Bibcode : 1992JGR....97.7603B. doi : 10.1029/92JD00291. ISSN  2156-2202.
  35. ^ Флокко, Даниэла; Фелтхэм, Дэниел Л.; Тернер, Адриан К. (2010). «Включение физически обоснованной схемы талого пруда в компонент морского льда климатической модели» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Океаны . 115 (C8). Bibcode : 2010JGRC..115.8012F. doi : 10.1029/2009JC005568. ISSN  2156-2202.
  36. ^ Ханке, Элизабет К.; Хеберт, Дэвид А.; Лекомт, Оливье (2013-11-01). "Пруды таяния льда на уровне моря в модели морского льда Лос-Аламоса, CICE". Моделирование океана . Северный Ледовитый океан. 71 : 26–42. Bibcode :2013OcMod..71...26H. doi :10.1016/j.ocemod.2012.11.008. ISSN  1463-5003. S2CID  129586247.
  37. ^ Lemieux, Jean-François; Dupont, Frédéric; Blain, Philippe; Roy, François; Smith, Gregory C.; Flato, Gregory M. (2016). «Улучшение моделирования припайного льда путем объединения прочности на разрыв и параметризации для закрепленных на земле хребтов». Journal of Geophysical Research: Oceans . 121 (10): 7354–7368. Bibcode : 2016JGRC..121.7354L. doi : 10.1002/2016JC012006 . ISSN  2169-9291.
  38. ^ abc CICE Consortium (3 декабря 2018 г.). "CICE Documentation (v6)" (PDF) . Получено 21 декабря 2018 г. .
  39. ^ "Документация Icepack — Документация Icepack". icepack.readthedocs.io . Получено 22.01.2019 .
  40. ^ "Energy Exascale Earth System Model (E3SM)". E3SM - Energy Exascale Earth System Model . Получено 22.01.2019 .
  41. ^ Ринглер, Тодд; Петерсен, Марк; Хигдон, Роберт Л.; Якобсен, Дуг; Джонс, Филип В.; Мальтруд, Мэтью (2013). «Многоуровневый подход к моделированию глобального океана». Ocean Modeling . 69 : 211–232. Bibcode : 2013OcMod..69..211R. doi : 10.1016/j.ocemod.2013.04.010. ISSN  1463-5003.
  42. ^ "Модель для прогнозирования в разных масштабах". mpas-dev.github.io . Получено 22.01.2019 .
  • Информационная страница консорциума CICE на GitHub
  • Модель консорциума CICE для развития морского льда
  • Icepack: основные физические принципы для моделей морского льда
  • Моделирование морского льда силами сообщества с помощью консорциума CICE (Witness the Arctic)
  • Пресс-релиз НОАА
  • Океаны Глубокие
  • Тихоокеанский стандарт
  • phys.org: Модернизация модели арктического льда принесет пользу полярным исследованиям, промышленности и военным
  • Морской лед: больше, чем просто замерзшая вода (Санта-Фе, Нью-Мексико)
  • Модель энергетической экзамасштабной системы Земли (E3SM)
  • Модель системы сообщества Земли (CESM)
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=CICE_(sea_ice_model)&oldid=1233261076"