В моделировании климата модели ледяного покрова используют численные методы для моделирования эволюции, динамики и термодинамики ледяных покровов , таких как ледяной покров Гренландии , Антарктический ледяной покров или крупные ледяные покровы в северном полушарии во время последнего ледникового периода . Они используются для различных целей: от изучения оледенения Земли в ледниково-межледниковых циклах в прошлом до прогнозов распада ледяного покрова в условиях будущего глобального потепления .
Начиная с середины XVIII века началось исследование поведения ледникового покрова. [1] С момента основания журнала «Гляциология » физики публиковали работы по ледниковой механике. [1]
Первая трехмерная модель была применена к ледяному покрову Барнса . [1] В 1988 году была разработана и применена к ледяному покрову Антарктиды первая термодинамически связанная модель, включающая шельфовые ледники , переход ледниковый покров/шельф, градиенты мембранного напряжения, изостатическую регулировку ложа и базальное скольжение с использованием более продвинутых численных методов . [1] Эта модель имела разрешение 40 км и 10 вертикальных слоев. [1]
Когда в 1990 году вышел первый оценочный отчет МГЭИК , ледяные щиты не были активной частью модели климатической системы, их эволюция основывалась на корреляции между глобальной температурой и балансом поверхностной массы. [2] Когда в 1996 году вышел второй оценочный отчет МГЭИК , начало как 2D, так и 3D моделирования было показано на примере ледяных щитов. [2] 1990-е годы ознаменовались появлением еще нескольких вычислительных моделей, что принесло с собой Европейскую инициативу по моделированию ледяных щитов (EISMINT). [1] [3] В течение 1990-х годов EISMINT провел несколько семинаров международного сотрудничества, сравнив большинство моделей Гренландии, Антарктиды, шельфового ледника, термомеханических и линий заземления. [3]
В 2000-х годах была проведена интеграция приближения первого порядка полной динамики Стокса в модель ледового щита. [1] В четвертом оценочном докладе МГЭИК были представлены модели ледового щита с прогнозами быстрых динамических реакций во льду, что привело к доказательствам значительной потери льда. [2]
В 2016 году частью проекта сравнения связанных моделей, фаза 6 (CMIP фаза 6) стал проект сравнения моделей ледяного щита, который определил протокол для всех переменных, связанных с моделированием ледяного щита. [4] Проект позволил улучшить как численные, так и физические подходы к ледяному щиту. [5]
Приближение мелкого льда (SIA) — это простой метод моделирования течения льда без необходимости решения полных уравнений Стокса. [6] Это приближение лучше всего применять к ледяному щиту с небольшим отношением глубины к ширине, без большого количества динамики скольжения и простой топографии ложа. [7] SIA не включает много сил, действующих на ледяной щит, и может считаться моделью «нулевого порядка» . [8] Модель предполагает, что ледяные щиты в основном разделены базальным касательным напряжением , и нет необходимости учитывать другие силы. [9] Она также предполагает, что базальное касательное напряжение и гравитационное движущее напряжение заземленного льда уравновешивают друг друга. [10] Метод является вычислительно недорогим. [9]
Приближение мелководного шельфа — еще один метод моделирования течения льда, в частности, течения мембранного типа плавающего льда или скольжения севшего на дно льда по основанию. [11] Также известные как мембранные модели, они похожи на модели свободной пленки в гидродинамике. [12] В отличие от приближения мелководного льда, приближение мелководного шельфа моделирует течение льда, когда продольные силы велики; скользящие и вертикальные силы. [13] SSA также можно считать моделью «нулевого порядка». [14]
Считается выгодным моделировать лед с помощью уравнений Навье-Стокса , поскольку лед представляет собой вязкую жидкость, а они охватывают все силы, действующие на лед. [6] Поскольку эти уравнения требуют больших вычислительных затрат, важно включать множество приближений для сокращения времени выполнения. [6] Из-за их вычислительных затрат их нелегко использовать в больших масштабах, и их можно использовать на определенных участках или в определенных сценариях, например, на линиях заземления. [7]
Ледяные щиты взаимодействуют с окружающей атмосферой, океаном и подледниковой землей. [15] Все эти интерактивные компоненты должны быть включены, чтобы иметь возможность иметь всеобъемлющую модель ледяного щита. [15]
Базальные условия играют важную роль в определении поведения ледяных щитов. Базальное термическое состояние (если лед растаял или замерз) и базальный рельеф трудно картировать. [15] Наиболее предпочтительный метод — применять ограничения сохранения массы. [15] Для долгосрочных прогнозов важно спроецировать топографию на континентальный шельф или во фьорды, и это может быть сложно, когда подледниковый рельеф не очень хорошо известен. [15]
Летняя инсоляция вызывает температурные реакции, которые влияют на скорость таяния и баланс массы ледяного щита. [16] Например, зависимость объема льда от летней инсоляции можно представить с помощью , где I — объем льда, — скорость изменения объема льда за единицу времени, T — время реакции ледяного щита, а S — сигнал инсоляции. [16]
Температура воздуха необходима в модели, поскольку она определяет скорость таяния и стока на поверхности. [17] Например, температура воздуха на поверхности может быть выражена с помощью широты 'lat', высоты поверхности h и средней температуры, чтобы обеспечить оценку среднегодовых температур: [17] . В этом примере предполагается, что поверхность шельфового ледника такая же холодная, как и на высоте 1000 м. [17]
Осадки напрямую связаны с температурой воздуха, а также зависят от влажности над и вокруг ледяного покрова. [17] Осадки играют важную роль в таянии и накоплении ледяного покрова. [17]
Отколы по-прежнему являются активной областью исследований в области моделирования ледяного покрова. [15] Полная картина отколов будет включать в себя множество различных аспектов, включая, помимо прочего, приливы, трещины в основании ледника, столкновения с айсбергами, толщину и температуру. [18] Недавнее развитие концепций нестабильности морского ледяного покрова и нестабильности морских ледяных скал способствовало получению более точных результатов процессов отколов ледяного покрова. [19]
Модель ледяного покрова сообщества является частью модели систем Земли сообщества , финансируемой Национальным научным фондом, и моделирует динамику льда. [20] [21] Она написана на языке Fortran 90 и имеет открытый исходный код . [20] Министерство энергетики США начало вносить свой вклад в CISM. [21] Проект CISM работает над другими смежными проектами по разработке циркуляра для расширения знаний о ледяных покровах и вовлечения более широкого сообщества в моделирование ледяных покровов. [21] Многие программы моделирования ледяных покровов оказали влияние на CISM, включая Parallel Ice Sheet Model (PSIM) и Glimmer. [22] [23]
Реакция уровня моря на эволюцию ледового щита (SeaRISE) — это подразделение CISM, которое занимается оценкой верхнего предела повышения уровня моря от ледовых щитов. [24] Проект направлен на разработку набора экспериментов и оценок для моделирования ледового щита и повышения уровня моря, а также на создание единого входного набора данных для моделей ледового щита. [24]
Glimmer (модель льда на суше GENIE с областями с поддержкой мультипликации) — это модель ледяного покрова, изначально созданная для внесения вклада в более полную модель земной системы GENIE. [25]
Parallel Ice Sheet Model — это трехмерная модель ледяного покрова с открытым исходным кодом, способная обеспечивать высокое разрешение. [26] PISM написана на C++ и Python и принимает файлы NetCDF в качестве входных данных для модели. [27] PISM использует модель «гибрид SIA+SSA», используя как приближение мелкого шельфа, так и приближение мелкого льда в качестве моделей баланса напряжений, и не решает полные уравнения Стокса. [26] Модель получает климатическую информацию из внешней модели общей циркуляции и нуждается в такой информации, как граничная температура, поток массы в лед, осадки и температура воздуха. [28]
Используется горизонтальная сетка с равными расстояниями и переменной вертикальной осью, которая работает на годовой шкале времени. [29] [30]
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )