stringtranslate.com

Модель ледникового покрова

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 .

История

Начиная с середины XVIII века началось исследование поведения ледникового покрова. [1] С момента основания журнала «Гляциология » физики публиковали работы по ледниковой механике. [1]

Ледяная шапка Барнса

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 отчете 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]

Моделирование

Ледяной поток

Приближение мелкого льда

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

Приближение мелкого шельфа — еще один метод моделирования течения льда, в частности, течения мембранного типа плавающего льда или скользящего по основанию льда, севшего на мель. [11] Также известное как мембранная модель, оно похоже на модели свободной пленки в гидродинамике. [12] В отличие от приближения мелкого льда, приближение мелкого шельфа моделирует течение льда, когда продольные силы велики; скользящие и вертикальные силы. [13] SSA также можно считать моделью «нулевого порядка». [14]

Полные уравнения Стокса

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]

Диаграмма некоторых аспектов модели ледникового покрова.

Взаимодействие с другими климатическими компонентами

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]

Отел

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]

Примеры

МЦСМ

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]

seaRISE

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]

Мерцание

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]

ПИСМ

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]

Смотрите также

Модели ледяного покрова в Интернете

Ссылки

  1. ^ abcdefg Блаттер, Хайнц; Греве, Ральф; Абэ-Оучи, Аяко (2010). «Краткая история термомеханической теории и моделирования ледников и ледяных щитов». Журнал гляциологии . 56 (200): 1087–1094. Bibcode : 2010JGlac..56.1087B. doi : 10.3189/002214311796406059 . hdl : 2115/46879 . ISSN  0022-1430.
  2. ^ abc Шепард, Эндрю; Новицки, Софи (октябрь 2017 г.). «Улучшения в прогнозах уровня моря для ледяного покрова». Nature Climate Change . 7 (10): 672–674. Bibcode : 2017NatCC...7..672S. doi : 10.1038/nclimate3400. ISSN  1758-678X.
  3. ^ ab Филипп, Хейбрехтс (1997). Отчет третьего семинара EISMINT по сравнению моделей (PDF) .
  4. ^ Nowicki, Sophie MJ; Payne, Anthony; Larour, Eric; Seroussi, Helene; Goelzer, Heiko; Lipscomb, William; Gregory, Jonathan; Abe-Ouchi, Ayako; Shepherd, Andrew (21 декабря 2016 г.). "Ice Sheet Model Intercomparison Project (ISMIP6) introduction to CMIP6". Geoscientific Model Development . 9 (12): 4521–4545. Bibcode : 2016GMD.....9.4521N. doi : 10.5194/gmd-9-4521-2016 . ISSN  1991-9603. PMC 5911933. PMID 29697697  . 
  5. ^ Паттин, Фрэнк (декабрь 2018 г.). «Смена парадигмы в моделировании ледникового покрова Антарктиды». Nature Communications . 9 (1): 2728. Bibcode :2018NatCo...9.2728P. doi :10.1038/s41467-018-05003-z. ISSN  2041-1723. PMC 6048022 . PMID  30013142. 
  6. ^ abc Oerlemans, J. (декабрь 1982 г.). «Ледниковые циклы и моделирование ледниковых щитов». Изменение климата . 4 (4): 353–374. Bibcode :1982ClCh....4..353O. doi :10.1007/BF02423468. hdl : 1874/21024 . ISSN  0165-0009. S2CID  189889177.
  7. ^ ab Davies, Bethan (22 июня 2020 г.). «Иерархия моделей ледяного покрова». AntarcticGlaciers.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  8. ^ Дэвис, Бетан (22 июня 2020 г.). «Иерархия моделей ледяного покрова». AntarcticGlaciers.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  9. ^ ab Van Den Berg, J.; Van De Wal, RSW; Oerlemans, J. (2006). "Эффекты пространственной дискретизации при моделировании ледяного покрова с использованием приближения мелкого льда". Journal of Glaciology . 52 (176): 89–98. Bibcode :2006JGlac..52...89V. doi : 10.3189/172756506781828935 . ISSN  0022-1430.
  10. ^ Дэвис, Бетан (22 июня 2020 г.). «Иерархия моделей ледяного покрова». AntarcticGlaciers.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  11. ^ "Две модели баланса напряжений: SIA и SSA – PISM, документация параллельной модели ледяного покрова 1.2.1". pism-docs.org . Получено 19 октября 2021 г. .
  12. ^ Schoof, Christian; Hewitt, Ian (3 января 2013 г.). «Динамика ледяного покрова». Annual Review of Fluid Mechanics . 45 (1): 217–239. Bibcode : 2013AnRFM..45..217S. doi : 10.1146/annurev-fluid-011212-140632. ISSN  0066-4189.
  13. ^ Дэвис, Бетан (22 июня 2020 г.). «Иерархия моделей ледяного покрова». AntarcticGlaciers.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  14. ^ Дэвис, Бетан (22 июня 2020 г.). «Иерархия моделей ледяного покрова». AntarcticGlaciers.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  15. ^ abcdef Goelzer, Heiko; Robinson, Alexander; Seroussi, Helene; van de Wal, Roderik SW (декабрь 2017 г.). "Последние достижения в моделировании ледяного щита Гренландии". Current Climate Change Reports . 3 (4): 291–302. Bibcode : 2017CCCR....3..291G. doi : 10.1007/s40641-017-0073-y. ISSN  2198-6061. PMC 6959375. PMID 32010550  . 
  16. ^ ab Ruddiman, William (2014). Климат Земли: прошлое и будущее . Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-5525-7.
  17. ^ abcde Альбрехт, Торстен; Винкельманн, Рикарда ; Леверманн, Андерс (14 февраля 2020 г.). «Моделирование ледникового цикла Антарктического ледяного щита с помощью модели параллельного ледяного щита (PISM) – Часть 1: Граничные условия и климатическое воздействие». Криосфера . 14 (2): 599–632. Bibcode : 2020TCry...14..599A. doi : 10.5194/tc-14-599-2020 . ISSN  1994-0424.
  18. ^ Элли, Ричард Б.; Хорган, Хью Дж.; Джоуин, Ян; Каффи, Курт М.; Дюпон, Тодд К.; Паризек, Байрон Р.; Анандакришнан, Шридхар; Бассис, Джереми (28 ноября 2008 г.). "Простой закон откола шельфового ледника". Science . 322 (5906): 1344. Bibcode :2008Sci...322.1344A. doi :10.1126/science.1162543. PMID  19039129. S2CID  206514828.
  19. ^ Паттин, Фрэнк; Фавье, Лионель; Сан, Сайнан; Дюран, Гаэль (1 сентября 2017 г.). «Прогресс в численном моделировании динамики антарктического ледового щита». Current Climate Change Reports . 3 (3): 174–184. Bibcode : 2017CCCR....3..174P. doi : 10.1007/s40641-017-0069-7. ISSN  2198-6061. S2CID  134517464.
  20. ^ ab "CISM / Модель ледникового покрова сообщества". cism.github.io . Получено 14 октября 2021 г. .
  21. ^ abc "Разработка модели ледового щита сообщества - интерактивная система для моделирования ледового щита". websrv.cs.umt.edu . Получено 28 октября 2021 г. .
  22. ^ "Программное обеспечение – Интерактивная система для моделирования ледяного покрова". websrv.cs.umt.edu . Получено 28 октября 2021 г. .
  23. ^ "Документация для PISM, модели параллельного ледникового покрова". pism-docs.org . Получено 28 октября 2021 г. .
  24. ^ ab "Оценка SeaRISE – Интерактивная система моделирования ледового щита". websrv.cs.umt.edu . Получено 28 октября 2021 г. .
  25. ^ Ратт, IC; Хагдорн, M.; Халтон, NRJ; Пейн, AJ (2009). "Модель ледяного щита сообщества Глиммер". Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 114 (F2). Bibcode : 2009JGRF..114.2004R. doi : 10.1029/2008JF001015 . hdl : 20.500.11820/fd14bca6-3e08-4c40-a099-6cb4ced05157 . ISSN  2156-2202.
  26. ^ ab "Документация для PISM, модели параллельного ледникового покрова". pism-docs.org . Получено 17 октября 2021 г. .
  27. ^ PISM, модель параллельного ледяного покрова, Parallel Ice Sheet Model, 11 октября 2021 г. , получено 17 октября 2021 г.
  28. ^ «Климатические данные и их взаимодействие с динамикой льда – PISM, документация параллельной модели ледового покрова 1.2.1». pism-docs.org . Получено 17 октября 2021 г. .
  29. ^ "Пространственная сетка – PISM, документация параллельной модели ледяного покрова 1.2.1". pism-docs.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  30. ^ "Model time – PISM, a Parallel Ice Sheet Model 1.2.1 documentation". pism-docs.org . Получено 18 октября 2021 г. .
  31. ^ Энергия, Национальная лаборатория Лос-Аламоса, управляемая Los Alamos National Security, LLC, для Министерства США. "Система недоступна". www.lanl.gov . Получено 24 марта 2024 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  32. ^ "Elmer/Ice". elmerice.elmerfem.org . Получено 24 марта 2024 г. .
  33. ^ "Добро пожаловать!". Модель системы ледяного щита (ISSM) . Архивировано из оригинала 21 июля 2011 года.
  34. ^ "Banger Casino Bangladesh: Where Winners Are Made". 28 ноября 2023 г. Получено 24 марта 2024 г.
  35. ^ "Модель ледяного покрова SICOPOLIS" . Получено 24 марта 2024 г. .