CICE (model lodu morskiego) - CICE (sea ice model)

CICE ( / s aɪ s / ) to model komputerowy, który symuluje wzrost, topnienie i ruch lodu morskiego . Został on zintegrowany z wieloma sprzężonymi modelami systemów klimatycznych, a także globalnymi modelami oceanów i prognozowania pogody i jest często wykorzystywany jako narzędzie w badaniach Arktyki i Oceanu Południowego . Rozwój CICE rozpoczął się w połowie lat 90. przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), a obecnie jest utrzymywany i rozwijany przez grupę instytucji w Ameryce Północnej i Europie, znaną jako Konsorcjum CICE. Jego szerokie zastosowanie w nauce o systemach ziemskich częściowo wynika ze znaczenia lodu morskiego w określaniu albedo planetarnego Ziemi , siły globalnej cyrkulacji termohalinowej w oceanach na świecie oraz w zapewnianiu warunków granicznych powierzchni dla modeli cyrkulacji atmosferycznej , ponieważ lód morski zajmuje znaczna część (4-6%) powierzchni ziemi . CICE to rodzaj modelu kriosferycznego.

Rozwój

Dane wyjściowe z CICE w ramach sprzężonego modelu klimatycznego: Średnia 2000-2004 (a) marzec i (b) wrzesień Grubość i zasięg lodu morskiego Antarktyki (lód morski o stężeniu większym niż 15% ) pięciu członków zespołu z Community Earth System Model (CESM ) duży zespół. Kontur magenty to zmierzona krawędź lodu zgodnie z zapisem danych klimatycznych NOAA .

Rozwój CICE rozpoczął w 1994 roku Elizabeth Hunke w Los Alamos National Laboratory (LANL). Od pierwszego wydania w 1998 roku, po opracowaniu w modelu reologii lodu morskiego Elastic-Viscous-Plastic (EVP) , był on w znacznym stopniu rozwijany przez międzynarodową społeczność użytkowników i programistów modeli. W latach 1998-2005 do modelu dodano termodynamikę z zachowaniem entalpii i ulepszenia w rozkładzie grubości lodu morskiego . Pierwszym użytkownikiem instytucjonalnym poza LANL była Podyplomowa Szkoła Marynarki Wojennej pod koniec lat 90., gdzie została następnie włączona do modelu Regionalnego Systemu Arktycznego. (RASM) w 2011 r. Narodowe Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR) jako pierwsze włączyło CICE do globalnego modelu klimatycznego w 2002 r., a twórcy NCAR Community Earth System Model (CESM) nadal przyczyniają się do innowacji CICE i użyli go do zbadania zmienności polarnej w ziemskim systemie klimatycznym. United States Navy zaczęli używać Cicé krótko po 2000 roku za badania i polarnego lodu morskiego prognozowania i nadal to robić dzisiaj. Od 2000 r. opracowywanie lub łączenie CICE z modelami oceanicznymi i atmosferycznymi w celu prognozowania pogody i klimatu odbywało się na Uniwersytecie w Reading , University College London , UK Met Office Hadley Centre , Environment and Climate Change Canada , Duńskim Instytucie Meteorologicznym , Wspólnocie Narodów Science and Industrial Research Organization oraz Beijing Normal University , między innymi. W wyniku rozwoju modelu w globalnej społeczności użytkowników CICE, kod komputerowy modelu zawiera teraz obszerną bibliotekę fizyki i biogeochemii solankowych lodu, która obejmuje termodynamikę papkowatych warstw , mechanikę kontinuum anizotropowego , transfer radiacyjny Delta-Eddington , fizykę stopionego stawu i lód szybki na lądzie . CICE w wersji 6 to oprogramowanie typu open source, które zostało wydane w 2018 r. w serwisie GitHub .

Równania trapezowe

Istnieją dwa główne równania fizyczne rozwiązywane za pomocą metod numerycznych w CICE, które stanowią podstawę przewidywań modelu dotyczących grubości , koncentracji i prędkości lodu morskiego , a także przewidywań wykonanych za pomocą wielu nie pokazanych tutaj równań, podających na przykład albedo powierzchni , zasolenie lodu , pokrywę śnieżną , dywergencja i cykle biogeochemiczne . Pierwsze równanie kluczowe to drugie prawo Newtona dla lodu morskiego:

${\ Displaystyle m {\ Frac {d \ mathbf {u}} {dt}} = -mf \ operatorname {k} \ razy \ mathbf {u} + \ tau _ {a} + \ tau _ {w}-m \mathrm {\kapelusz {g}} \nabla \mu +\nabla \cdot \mathbf {\sigma } }$

gdzie jest masa na jednostkę powierzchni zasolonego lodu na powierzchni morza, jest prędkością dryfu lodu, jest parametrem Coriolisa , jest wektorem jednostkowym skierowanym ku górze, normalnym do powierzchni morza, oraz jest wiatrem i naprężeniem wodnym na lodzie, odpowiednio, jest przyspieszeniem grawitacyjnym , jest wysokością powierzchni morza i jest lodem wewnętrznym, dwuwymiarowym tensorem naprężeń w lodzie. Każdy z terminów wymaga informacji o grubości, szorstkości i koncentracji lodu, a także o stanie atmosferycznych i oceanicznych warstw granicznych. Masa lodu na jednostkę powierzchni jest określana przy użyciu drugiego równania kluczowego w CICE, które opisuje ewolucję rozkładu grubości lodu morskiego dla różnych grubości rozprzestrzeniania się obszaru, dla którego prędkość lodu morskiego jest obliczana powyżej: ${\ Displaystyle m}$${\displaystyle \mathbf {u}}$${\displaystyle f}$${\displaystyle \mathrm {k}}$${\ Displaystyle \ tau _ {a}}$${\ Displaystyle \ tau _ {w}}$${\displaystyle \mathrm {\kapelusz {g}}}$${\ Displaystyle \ mu}$${\displaystyle \mathbf {\sigma}}$${\ Displaystyle m}$${\ Displaystyle g (h)}$${\ Displaystyle h}$

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

gdzie jest zmianą rozkładu grubości z powodu wzrostu termodynamicznego i topnienia, jest funkcją redystrybucji wynikającą z mechaniki lodu morskiego i jest związana z naprężeniem wewnętrznym lodu i opisuje adwekcję lodu morskiego w układzie Lagrange'a . Z tego masa lodu jest dana przez: ${\displaystyle \theta}$${\ Displaystyle \ psi}$${\displaystyle \mathbf {\sigma}}$${\ Displaystyle -g (\ nabla \ cdot \ mathbf {u})}$

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

dla gęstości lodu morskiego. ${\ Displaystyle \ rho}$

Projekt kodu

Schemat przedstawiający rozmieszczenie Icepack, w którym przedstawiono rozkład grubości (niebieski), wewnątrz dycore MPAS (zielony), który rozwiązuje ewolucję pędu i poziomą adwekcję lodu morskiego na niestrukturalnej siatce E3SM (strzałki)${\ Displaystyle g (h)}$

CICE wersja 6 jest zakodowana w FORTRAN90 . Jest zorganizowany w rdzeń dynamiczny (dycore) i oddzielny pakiet fizyki kolumn o nazwie Icepack , który jest utrzymywany jako podmoduł CICE na GitHub. Opisane powyżej równanie pędu i adwekcja grubości są krok po kroku na czworobocznej siatce B Arakawy w rdzeniu dynamicznym, podczas gdy Icepack rozwiązuje równania diagnostyczne i prognostyczne niezbędne do obliczania fizyki promieniowania, hydrologii, termodynamiki i biogeochemii pionowej, w tym terminów niezbędnych do obliczenia , , , i zdefiniowane powyżej. CICE może być uruchamiany niezależnie, jak na pierwszym rysunku na tej stronie, ale często jest sprzężony z modelami systemów uziemienia za pomocą zewnętrznego sprzęgacza strumienia, takiego jak sprzęgacz strumienia CESM firmy NCAR, dla którego wyniki są pokazane na drugim rysunku dla CESM Large Ensemble. Fizyka kolumn została podzielona na Icepack dla wersji 6, aby umożliwić wprowadzenie do modeli systemu Ziemi, które wykorzystują własny rdzeń dynamiczny lodu morskiego, w tym nowy model systemu Ziemi DOE Energy Exascale (E3SM), który wykorzystuje niestrukturalną siatkę w lodzie morskim komponent Modelu Przewidywania w Skalach (MPAS), jak pokazano na ostatnim rysunku. ${\ Displaystyle \ tau _ {a}}$${\ Displaystyle \ tau _ {w}}$${\displaystyle \mathbf {\sigma}}$${\displaystyle \theta}$${\ Displaystyle \ psi}$

Zobacz też

• Lód morski
• Społeczności drobnoustrojów lodu morskiego
• Modelowanie emisyjności lodu morskiego
• Procesy wzrostu lodu morskiego
• Stężenie lodu morskiego
• Grubość lodu morskiego
• Fizyka lodu morskiego i eksperyment ekosystemowy
• Ocean Arktyczny
• Południowy Ocean
• Model klimatyczny
• Prognoza pogody
• Północny Szlak Morski
• Przejście Północno-Zachodnie
• Antarktyda

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Strona informacyjna GitHub konsorcjum CICE
• Model konsorcjum CICE dla rozwoju lodu morskiego
• Icepack: podstawowa fizyka modeli lodu morskiego
• Modelowanie lodu morskiego sterowane przez społeczność we współpracy z konsorcjum CICE (Bądź świadkiem Arktyki)
• Komunikat prasowy NOAA
• Głęboko oceany
• Standard Pacyfiku
• phys.org: Modernizacja modelu lodu arktycznego, aby przynieść korzyści badaniom polarnym, przemysłowi i wojsku
• Lód morski: więcej niż tylko zamarznięta woda (Santa Fe w Nowym Meksyku)
• Model systemu Ziemi w eksaskali energii (E3SM)
• Społeczny model systemu Ziemi (CESM)