CICE (модель морского льда) - CICE (sea ice model)

CICE (/sаɪs/) это компьютерная модель который имитирует рост, таяние и движение морской лед. Он был интегрирован во многие связанные модели климатической системы а также глобальный океан и прогноз погоды моделей и часто используется как инструмент в Арктический и Южный океан исследование.^{[1][2][3][4][5][6][7][8][9]} Разработка CICE началась в середине 1990-х годов. Министерство энергетики США (DOE), и в настоящее время он поддерживается и развивается группой организаций в Северной Америке и Европе, известной как Консорциум CICE.^[10] Его широкое использование в наука о земных системах отчасти из-за важности морского льда в определении планетарного альбедо, сила глобального термохалинная циркуляция в Мировом океане, и в обеспечении поверхностных граничных условий для атмосферная циркуляция моделей, поскольку морской лед занимает значительную долю (4-6%) поверхность Земли.^[11][12] CICE - это разновидность модели криосферы.

Разработка

Выходные данные CICE в рамках связанной климатической модели: в среднем за 2000-2004 гг. (А) март и (б) сентябрь Антарктика. толщина морского льда и протяженность (морской лед с более чем 15% концентрация ) пяти участники ансамбля от Модель системы Земли сообщества (ЦЭСМ) большой ансамбль.^[13] Пурпурный контур - это измеренная кромка льда в соответствии с NOAA Запись климатических данных.^[14]

Разработка CICE началась в 1994 году Элизабет Ханк в Лос-Аламосская национальная лаборатория (ЛАНЛ).^[12][15] С момента его первого выпуска в 1998 году после разработки морского льда из упруго-вязко-пластичного (EVP) реология внутри модели,^[16] он был существенно разработан международным сообществом пользователей и разработчиков моделей. Энтальпия -сохраняющий термодинамика и улучшения толщина морского льда распределение были добавлены в модель между 1998 и 2005 годами.^[17][18][19] Первым институциональным пользователем за пределами LANL был Военно-морская аспирантура^[15] в конце 1990-х годов, где он был впоследствии включен в Модель региональной арктической системы (RASM) в 2011 году.^[20][21] В Национальный центр атмосферных исследований (NCAR) был первым, кто включил CICE в глобальная климатическая модель в 2002,^[22] и разработчики NCAR Модель системы Земли сообщества (CESM) продолжали вносить свой вклад в инновации CICE^[23][24][25] и использовали его для исследования полярной изменчивости климатической системы Земли.^[13] В ВМС США начал использовать CICE вскоре после 2000 года для полярных исследований и прогнозирования морского льда, и продолжает использовать это сегодня.^[3][26] С 2000 года разработка CICE или подключение к океан ic и атмосферный моделей для прогнозирования погоды и климата. Университет Ридинга,^[27] Университетский колледж Лондона,^[28] то Метеорологическое бюро Великобритании, Центр Хэдли,^[29] Окружающая среда и изменение климата Канада,^[7] то Датский метеорологический институт,^[4] то Организация по науке и промышленным исследованиям Содружества,^[30] и Пекинский педагогический университет,^[8] среди других учреждений. В результате разработки модели в глобальном сообществе пользователей CICE компьютерный код модели теперь включает в себя исчерпывающий физиологический раствор физика льда и биогеохимия библиотека, которая включает мягкий слой термодинамика,^[31][32] анизотропный механика сплошной среды,^[33] Дельта-Эддингтон перенос излучения,^[34] плавильный пруд физика^[35][36] и припай.^[37] CICE версии 6 программное обеспечение с открытым исходным кодом и был выпущен в 2018 г. GitHub.^[38]

Трапецеидальные уравнения

Есть два основных физических уравнения, решаемых с использованием численные методы в CICE, которые подкрепляют предсказания модели морского льда толщина, концентрация и скорость, а также прогнозы, сделанные с помощью многих не показанных здесь уравнений, дающих, например, альбедо поверхности, соленость льда, снег крышка, расхождение, и биогеохимические циклы. Первое уравнение трапецеидального искажения: Второй закон Ньютона для морского льда:

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

куда ${\displaystyle m}$ - масса на единицу площади соленого льда на поверхности моря, ${\displaystyle \mathbf {u} }$ - скорость дрейфа льда, ${\displaystyle f}$ это Параметр Кориолиса, ${\displaystyle \mathrm {k} }$ - направленный вверх единичный вектор, нормальный к поверхности моря, ${\displaystyle \tau _{a}}$ и ${\displaystyle \tau _{w}}$ ветер и вода стресс на льду соответственно ${\displaystyle \mathrm {\hat {g}} }$ ускорение из-за сила тяжести, ${\displaystyle \mu }$ является высота поверхности моря и ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$ внутренний лед двумерный тензор напряжений во льду.^[16] Каждый из терминов требует информации о толщине, шероховатости и концентрации льда, а также о состоянии пограничных слоев атмосферы и океана. Масса льда на единицу площади ${\displaystyle m}$ определяется с использованием второго ключевого уравнения в CICE, которое описывает эволюцию распределения толщины морского льда ${\displaystyle g(h)}$ для разной толщины ${\displaystyle h}$ разброс области, для которой скорость морского льда рассчитывается выше:^[18]

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

куда ${\displaystyle \theta }$ изменение распределения толщины из-за термодинамический рост и таяние, ${\displaystyle \psi }$ является функцией перераспределения из-за механики морского льда и связана с внутренним напряжением льда ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$, и ${\displaystyle -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )}$ описывает адвекция морского льда в Лагранжева система отсчета.^[18][19] Отсюда масса льда определяется по формуле:

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

за плотность ${\displaystyle \rho }$ морского льда.^[38]

Дизайн кода

Схема, демонстрирующая размещение Icepack, в котором распределение толщины ${\displaystyle g(h)}$ представлен (синий) внутри дуги MPAS (зеленый), который вычисляет эволюцию импульса и горизонтальную адвекцию морского льда на неструктурированной сетке E3SM (стрелки)

CICE версии 6 закодирован в FORTRAN90. Он организован в виде динамического ядра (dycore) и отдельного пакета физики столбцов, называемого Пузырь со льдом, который поддерживается как подмодуль CICE на GitHub.^[39] Уравнение импульса и адвекция толщины, описанные выше, имеют временную шкалу четырехугольник B-сетка 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 ${\displaystyle \tau _{a}}$, ${\displaystyle \tau _{w}}$, ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$, ${\displaystyle \theta }$, и ${\displaystyle \psi }$ определено выше. CICE можно запускать независимо, как показано на первом рисунке на этой странице, но часто он связан с моделями земных систем через внешний магнитный соединитель, такой как CESM Flux Coupler от NCAR.^[22] результаты которого показаны на втором рисунке для большого ансамбля CESM. Физика колонки была разделена в Icepack для выпуска версии 6, чтобы разрешить вставку в модели земных систем, которые используют собственное динамическое ядро ​​морского льда, включая новую модель земной системы DOE Energy Exascale (E3SM),^[38][40] который использует неструктурированную сетку в компоненте морского льда Модели для прогнозирования в разных масштабах (MPAS),^[41][42] как показано на последнем рисунке.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Робертс, Эндрю; Ханк, Элизабет; Аллард, Ричард; Бейли, Дэвид; Крейг, Энтони; Лемье, Жан-Франсуа; Тернер, Мэтью (2018). «Контроль качества при разработке модели морского льда на базе сообществ». Философские труды Королевского общества A. 376 (2129): 17. Дои:10.1098 / rsta.2017.0344. ЧВК  6107617. PMID  30126915.
2. Уолтерс, Д. Н .; Hunke, E.C .; Harris, C.M .; West, A.E .; Ридли, Дж. К .; Кин, А. Б .; Hewitt, H.T .; Рэй, Дж. Г. Л. (24 июля 2015 г.). «Разработка конфигурации CICE Global Sea Ice 6.0 для модели Global Coupled Метеорологического бюро». Разработка геонаучных моделей. 8 (7): 2221–2230. Дои:10.5194 / gmd-8-2221-2015. ISSN  1991-959X.
3. Мецгер, Э. Джозеф; Смедстад, Оле Мартин; Топпил, Прасад; Hurlburt, Harley; Каммингс, Джеймс; Уолкрафт, Алан; Замудио, Луис; Франклин, Дебора; Поузи, Памела (01.09.2014). "Оперативные системы прогнозирования глобального океана и арктического льда ВМС США". Океанография. 27 (3): 32–43. Дои:10.5670 / oceanog.2014.66. ISSN  1042-8275.
4. "DMI Ocean Models [HYCOM]". ocean.dmi.dk. Получено 2018-12-21.
5. Канада, Окружающая среда и изменение климата; Канада, Окружающая среда и изменение климата (2009-11-12). «Последние ледовые условия». эм. Получено 2018-12-21.
6. "ESRL: PSD: PSD Прогноз морского льда в Арктике". www.esrl.noaa.gov. Получено 2018-12-21.
7. Лемье, Жан-Франсуа; Бодуан, Кристиан; Дюпон, Фредерик; Рой, Франсуа; Смит, Грегори С.; Шляева, Анна; Бюнер, Марк; Кайя, Ален; Чен, Джек (2016). «Региональная система прогнозирования льда (RIPS): проверка прогноза сплоченности морского льда». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 142 (695): 632–643. Дои:10.1002 / qj.2526. ISSN  1477-870X.
8. Стокер, Томас (2013). Изменение климата 2013: основы физических наук: 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 Рис; Ямс, Сара; Шредер, Дэвид; Флокко, Даниэла; Фелтхэм, Дэниел (2017). «Частота и масштабы цветения подледного фитопланктона в Северном Ледовитом океане». Достижения науки. 3 (3): e1601191. Дои:10.1126 / sciadv.1601191. ISSN  2375-2548. ЧВК  5371420. PMID  28435859.
10. Справочная и вспомогательная информация для Консорциума CICE: Консорциум CICE / About-Us, Консорциум CICE, 2018-08-27, получено 2018-12-21
11. Томас, Дэвид (2017). Морской лед. Вили-Блэквелл. ISBN  978-1118778388.
12. Ханк, Элизабет (2017). «Лекция Ротшильда: Крупномасштабное моделирование морского льда: потребности общества и развитие сообщества». Лекция в Институте математических наук Исаака Ньютона, Кембриджский университет, Великобритания.
13. Kay, J.E .; Deser, C .; Филлипс, А .; Mai, A .; Hannay, C .; Strand, G .; Arblaster, J.M .; Bates, S.C .; Данабасоглу, Г. (2015). «Проект большого ансамбля модели системы Земля сообщества (CESM): ресурс сообщества для изучения изменения климата при наличии внутренней изменчивости климата». Бюллетень Американского метеорологического общества. 96 (8): 1333–1349. Дои:10.1175 / bams-d-13-00255.1. ISSN  0003-0007.
14. Meier, W. N .; Феттерер (2017). «Запись климатических данных NOAA / NSIDC по концентрации морского льда в пассивном микроволновом диапазоне, версия 3 | Национальный центр данных по снегу и льду» (Набор данных). NSIDC. Дои:10.7265 / n59p2ztg.
15. «Краткая история основных этапов развития CICE и сотрудничества». 12 февраля 2018 г.. Получено 21 декабря, 2018.
16. Hunke, E.C .; Дукович, Дж. К. (1997). "Упруго-вязкопластическая модель динамики морского льда". Журнал физической океанографии. 27 (9): 1849–1867. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1997) 027 <1849: AEVPMF> 2.0.CO; 2.
17. Битц, К.М.; Липскомб, Уильям Х. (1999). «Энергосберегающая термодинамическая модель морского льда». Журнал геофизических исследований: океаны. 104 (C7): 15669–15677. Дои:10.1029 / 1999JC900100. ISSN  2156-2202.
18. Липскомб, Уильям Х. (2001-07-15). «Переназначение распределения толщины в моделях морского льда». Журнал геофизических исследований: океаны. 106 (C7): 13989–14000. Дои:10.1029 / 2000jc000518. ISSN  0148-0227.
19. Липскомб, Уильям Х .; Ханк, Элизабет С. (2005). «Моделирование переноса морского льда с использованием инкрементального переназначения». Ежемесячный обзор погоды. 132 (6): 1341–1354. Дои:10.1175 / 1520-0493 (2004) 132 <1341: msitui> 2.0.co; 2. ISSN  0027-0644.
20. Робертс, Эндрю; Крейг, Энтони; Масловски, Веслав; Осинский, Роберт; Дювивье, Алиса; Хьюз, Мими; Нейссен, Барт; Кассано, Джон; Брунке, Майкл (2015). «Моделирование нестационарного переноса Экмана между льдом и океаном в модели региональной арктической системы и модели системы Земля сообщества». Анналы гляциологии. 56 (69): 211–228. Дои:10.3189 / 2015AoG69A760.
21. Джин, Мейбинг; Сделка, Клара; Масловски, Веслав; Матраи, Патрисия; Робертс, Эндрю; Осинский, Роберт; Ли, Юнджу Дж .; Франц, Марина; Эллиотт, Скотт (2018). «Влияние разрешения модели и перемешивания океана на принудительное физическое и биогеохимическое моделирование льда и океана с использованием глобальных и региональных системных моделей». Журнал геофизических исследований: океаны. 123 (1): 358–377. Дои:10.1002 / 2017JC013365. HDL:10945/57878. ISSN  2169-9291.
22. Кауфман, Брайан Дж .; Большой, Уильям Г. (1 августа 2002 г.). «Соединитель CCSM версии 5.0.1» (PDF). Получено 21 декабря, 2018.
23. Голландия, Марика; Бейли, Дэвид; Бриглеб, Брюс; Свет, Бонни; Ханк, Элизабет (2012). «Улучшенная физика коротковолнового излучения морского льда в CCSM4: влияние плавильных прудов и аэрозолей на морской лед Арктики». Журнал климата. 25 (5): 1413–1430. Дои:10.1175 / JCLI-D-11-00078.1.
24. Ян, Александра; Стерлинг, Кара; Голландия, Марика М .; Кей, Дженнифер Э .; Масланик, Джеймс А .; Bitz, Cecilia M .; Бейли, Дэвид А .; Стров, Жюльен; Ханк, Элизабет С. (2012). "Моделирование свойств морского льда и океана в конце двадцатого века в CCSM4". Журнал климата. 25 (5): 1431–1452. Дои:10.1175 / jcli-d-11-00201.1. ISSN  0894-8755.
25. Харрелл, Джеймс У .; Голландия, М. М .; Gent, P. R .; Ghan, S .; Кей, Дженнифер Е .; Кушнер, П. Дж .; Lamarque, J.-F .; Большой, W. G .; Лоуренс, Д. (2013). «Модель системы Земли сообщества: основа для совместных исследований». Бюллетень Американского метеорологического общества. 94 (9): 1339–1360. Дои:10.1175 / bams-d-12-00121.1. ISSN  0003-0007.
26. Hebert, David A .; Аллард, Ричард А .; Мецгер, Э. Джозеф; Поузи, Памела Г .; Preller, Ruth H .; Уоллкрафт, Алан Дж .; Фелпс, Майкл В .; Смедстад, Оле Мартин (2015). «Краткосрочный прогноз морского льда: оценка сплоченности льда и прогнозов дрейфа льда с использованием системы прогнозов / прогнозов арктической шапки ВМС США». Журнал геофизических исследований: океаны. 120 (12): 8327–8345. Дои:10.1002 / 2015jc011283. ISSN  2169-9275.
27. Tsamados, M .; Feltham, D. L .; Вильчинский, А. В. (2013). «Влияние новой анизотропной реологии на моделирование арктического морского льда» (PDF). Журнал геофизических исследований: океаны. 118 (1): 91–107. Дои:10.1029 / 2012JC007990. ISSN  2169-9291.
28. Вильчинский, Александр В .; Feltham, Daniel L .; Миллер, Пол А. (2006). "Модель морского льда разной толщины с учетом трения скольжения". Журнал физической океанографии. 36 (9): 1719–1738. CiteSeerX  10.1.1.569.7380. Дои:10.1175 / jpo2937.1. ISSN  0022-3670.
29. Ридли, Джефф К .; Блокли, Эдвард У .; Кин, Энн Б .; Rae, Jamie G.L .; West, Alex E .; Шредер, Дэвид (27.02.2018). «Компонент модели морского льда HadGEM3-GC3.1». Разработка геонаучных моделей. 11 (2): 713–723. Дои:10.5194 / gmd-11-713-2018. ISSN  1991-9603.
30. Uotila, P .; O’Farrell, S .; Marsland, S.J .; Би, Д. (01.07.2012). «Исследование чувствительности морского льда с помощью глобальной модели океанического льда». Моделирование океана. 51: 1–18. Дои:10.1016 / j.ocemod.2012.04.002. ISSN  1463-5003.
31. Feltham, D. L .; Untersteiner, N .; Wettlaufer, J. S .; Уорстер, М. Г. (2006). «Морской лед - мягкий слой» (PDF). Письма о геофизических исследованиях. 33 (14). Дои:10.1029 / 2006GL026290. ISSN  1944-8007.
32. Тернер, Адриан К .; Ханк, Элизабет С. (2015). «Влияние термодинамического подхода с мягким слоем в глобальном моделировании морского льда с использованием модели морского льда CICE». Журнал геофизических исследований: океаны. 120 (2): 1253–1275. Дои:10.1002 / 2014jc010358. ISSN  2169-9275.
33. Вильчинский, Александр В .; Фелтэм, Дэниел Л. (01.06.2006). «Анизотропная модель динамики гранулированного морского льда». Журнал механики и физики твердого тела. 54 (6): 1147–1185. Дои:10.1016 / j.jmps.2005.12.006. ISSN  0022-5096.
34. Бриглеб, Брюс П. (1992). «Приближение Дельта-Эддингтона для солнечной радиации в модели климата сообщества NCAR». Журнал геофизических исследований: атмосферы. 97 (D7): 7603–7612. Дои:10.1029 / 92JD00291. ISSN  2156-2202.
35. Флокко, Даниэла; Feltham, Daniel L .; Тернер, Адриан К. (2010). «Включение физически обоснованной схемы плавильного пруда в компонент морского льда климатической модели» (PDF). Журнал геофизических исследований: океаны. 115 (С8). Дои:10.1029 / 2009JC005568. ISSN  2156-2202.
36. Hunke, Elizabeth C .; Hebert, David A .; Леконт, Оливье (01.11.2013). «Пруды с ровным слоем таяния льда в модели морского льда Лос-Аламоса, CICE». Моделирование океана. Арктический океан. 71: 26–42. Дои:10.1016 / j.ocemod.2012.11.008. ISSN  1463-5003.
37. Лемье, Жан-Франсуа; Дюпон, Фредерик; Блейн, Филипп; Рой, Франсуа; Смит, Грегори С .; Флато, Грегори М. (2016). «Улучшение моделирования припайного льда за счет сочетания прочности на разрыв и параметризации заземленных гребней». Журнал геофизических исследований: океаны. 121 (10): 7354–7368. Дои:10.1002 / 2016JC012006. ISSN  2169-9291.
38. Консорциум CICE (3 декабря 2018 г.). «Документация CICE (v6)» (PDF). Получено 21 декабря, 2018.
39. «Документация Icepack - Документация Icepack». icepack.readthedocs.io. Получено 2019-01-22.
40. «Энергетическая экзабросная модель земной системы (E3SM)». E3SM - Энергетическая модель экзадачной системы Земли. Получено 2019-01-22.
41. Ринглер, Тодд; Петерсен, Марк; Хигдон, Роберт Л .; Якобсен, Дуг; Джонс, Филип У .; Мальтруд, Мэтью (2013). «Подход с несколькими разрешениями к моделированию глобального океана». Моделирование океана. 69: 211–232. Дои:10.1016 / j.ocemod.2013.04.010. ISSN  1463-5003.
42. «Модель для прогнозирования в разных масштабах». mpas-dev.github.io. Получено 2019-01-22.

внешняя ссылка

• Информационная страница GitHub Консорциума CICE
• Модель Консорциума CICE для разработки морского льда
• Icepack: важная физика для моделей морского льда
• Моделирование морского льда на базе сообщества с Консорциумом CICE (свидетель Арктики)
• Пресс-релиз NOAA
• Глубоко океаны
• Тихоокеанский стандарт
• Phys.org: модернизация модели арктического льда в интересах полярных исследований, промышленности и военных
• Морской лед: больше, чем просто замороженная вода (Санта-Фе, Нью-Мексико)
• Модель энергетической экзадачной системы Земли (E3SM)
• Модель системы Земля Сообщества (CESM)