CICE (модель морского льда)

редактировать

CICE () - это компьютерная модель, который имитирует рост, таяние и движение морского льда. Он интегрирован во многие связанные модели климатической системы, а также модели глобального океана и прогнозирования погоды и часто используется в качестве инструмента в Арктике и Южный океан исследования. Разработка CICE началась в середине 1990-х годов Министерством энергетики США (DOE), и в настоящее время она поддерживается и развивается группой организаций в Северной Америке и Европе, известной как Консорциум CICE. Его широкое использование в науке о земных системах отчасти связано с важностью морского льда в определении планетарного альбедо Земли, силы глобальной термохалинной циркуляции в мире. океанов, и в обеспечении граничных условий поверхности для моделей атмосферной циркуляции, поскольку морской лед занимает значительную часть (4-6%) поверхности земли. CICE - это разновидность модели криосферы.

Содержание

1 Разработка
2 Уравнения трапецеидального искажения
3 Дизайн кода
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

Разработка

Вывод из CICE в рамках комбинированная климатическая модель: усредненное значение за 2000-2004 гг. (a) март и (b) сентябрь Антарктика толщина морского льда и протяженность (морской лед с концентрацией более 15% ) пяти члены ансамбля из большого ансамбля Модель системы Земли сообщества (CESM). Пурпурный контур - это измеренная кромка льда в соответствии с NOAA Климатической записью данных.

Разработка CICE началась в 1994 году Элизабет Ханк в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL). С момента его первоначального выпуска в 1998 году после разработки в рамках модели реологии морского льда «Упруго-вязкопластический» (EVP) он был существенно развит международным сообществом пользователей и разработчиков моделей. Сохранение энтальпии термодинамика и улучшения распределения толщины морского льда были добавлены в модель между 1998 и 2005 годами. Первый институциональный пользователь за пределами LANL была военно-морская аспирантура в конце 1990-х, где она впоследствии была включена в Модель региональной арктической системы (RASM) в 2011 году. Национальный центр атмосферных исследований (NCAR) был первым, кто включил CICE в глобальную климатическую модель в 2002 году, и разработчики NCAR Community Earth System Model (CESM) продолжали вносить свой вклад в инновации CICE и использовали ее. 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 это делать и сегодня. С 2000 года разработка CICE или его сопряжение с моделями океана ic и атмосферы для прогнозирования погоды и климата происходили в Университете Рединга, Университетском колледже Лондона., Великобритания Метеорологическое бюро Центр Хэдли, Окружающая среда и изменение климата Канада, Датский метеорологический институт, Организация научных и промышленных исследований Содружества и Пекин Педагогический университет среди других учреждений. В результате разработки модели в глобальном сообществе пользователей CICE компьютерный код модели теперь включает комплексную библиотеку солевого раствора физики льда и биогеохимии, которая включает мягкоуровневую термодинамику, анизотропная механика сплошной среды, дельта-Эддингтон перенос излучения, талый пруд физика и припайный лед. Версия 6 CICE является программным обеспечением с открытым исходным кодом и была выпущена в 2018 году на GitHub.

Keystone Equations

. Два основных физических уравнения решаются с использованием численных методов в CICE, которые подкрепляют прогнозы модели для морского льда толщину, концентрацию и скорость, а также прогнозы, сделанные с помощью многих не показанных здесь уравнений, дающих, например,, альбедо поверхности, соленость льда, снежный покров покров, дивергенция и биогеохимические циклы. Первое краеугольное уравнение - это второй закон Ньютона для морского льда:

$mdudt = - mfk × u + τ a + τ w - mg ^ ∇ μ + ∇ ⋅ σ {\ displaystyle m {\ frac { d \ mathbf {u}} {dt}} = - mf \ mathrm {k} \ times \ mathbf {u} + \ tau _ {a} + \ tau _ {w} -m \ mathrm {\ hat {g} } \ nabla \ mu + \ nabla \ cdot \ mathbf {\ sigma}}$ ${\ displaystyle m {\ frac {d \ mathbf {u}} {dt }} = - mf \ mathrm {k} \ times \ mathbf {u} + \ tau _ {a} + \ tau _ {w} -m \ mathrm {\ hat {g}} \ nabla \ mu + \ nabla \ cdot \ mathbf {\ sigma}}$

где $m {\ displaystyle m}$ $m$ - масса соленого льда на единицу площади на поверхности моря, $u {\ displaystyle \ mathbf {u}}$ $\ mathbf {u}$ - скорость дрейфа льда, $f {\ displaystyle f}$ $f$ - параметр Кориолиса, $k {\ displaystyle \ mathrm {k}}$ ${\ mathrm {k}}$ - вертикальный единичный вектор, нормальный к поверхности моря, $τ a {\ displaystyle \ tau _ {a}}$ $\tau_a$ и $τ w {\ displaystyle \ tau _ {w}}$ $\ t au_w$ - это напряжение ветра и воды на льду, соответственно, $g ^ { \ displaystyle \ mathrm {\ hat {g}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {\ hat { g}}}$ - ускорение, вызванное силой тяжести, $μ {\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ равно высота поверхности моря и $σ {\ displaystyle \ mathbf {\ sigma}}$ $\ mathbf {\ sigma}$ - это внутренний лед, двумерный тензор напряжений внутри льда. 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 $м {\ displaystyle m}$ $m$ определяется с помощью второго ключевого уравнения в CICE, которое описывает эволюцию распределения толщины морского льда $g (h) {\ displaystyle g (h)}$ $g (h)$ для разной толщины $h {\ displaystyle h}$ $h$ разброс области, для которой скорость морского льда вычислена выше:

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

где $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ - это изменение распределения толщины из-за термодинамического роста и плавления, $ψ {\ displaystyle \ psi}$ $\ psi$ - функция перераспределения из-за механика морского льда и связана с внутренним ледовым напряжением $σ {\ displaystyle \ mathbf {\ sigma}}$ $\ mathbf {\ sigma}$ и $- g (∇ ⋅ u) {\ displaystyle -g (\ nabla \ cdot \ mathbf {u})}$ ${\ displaystyle -g (\ nabla \ cdot \ mathbf {u})}$ описывает адвекцию морского льда в лагранжевой системе отсчета. Отсюда масса льда определяется по формуле:

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

для плотности $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ морского льда.

Дизайн кода

Схема, демонстрирующая размещение Icepack, на котором представлено распределение толщины

g (h) {\ displaystyle g (h)}

g (h)

(синий) внутри дуги MPAS (зеленый), которая решает эволюцию импульса и горизонтальную адвекцию морского льда на неструктурированная сетка E3SM (стрелки)

CICE версии 6 кодируется в FORTRAN90. Он состоит из динамического ядра (dycore) и отдельного пакета физики столбцов под названием Icepack, который поддерживается как подмодуль CICE на GitHub. Уравнение импульса и адвекция толщины, описанные выше, имеют временные интервалы на четырехугольнике B-сетке Аракавы внутри динамического ядра, в то время как Icepack решает диагностические и прогностические уравнения, необходимые для расчета радиационной физики, гидрологии, термодинамика и вертикальная биогеохимия, включая термины, необходимые для вычисления $τ a {\ displaystyle \ tau _ {a}}$ $\tau_a$ , $τ w {\ displaystyle \ tau _ {w}}$ $\ t au_w$ , $σ {\ displaystyle \ mathbf {\ sigma}}$ $\ mathbf {\ sigma}$ , $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ и $ψ {\ displaystyle \ psi}$ $\ psi$ , определенных выше. CICE можно запускать независимо, как на первом рисунке на этой странице, но часто он связан с моделями земных систем через внешний магнитопровод, такой как CESM Flux Coupler от NCAR, результаты которого показаны на втором рисунке для CESM Large Ансамбль. Физика колонн 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), которая использует неструктурированную сетку в морском льду. компонент модели для масштабного прогнозирования (MPAS), как показано на последнем рисунке.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки