CICE (modelo de hielo marino)

Modelo de computadora que simula el hielo marino

CICE ( / s aɪ s / ) es un modelo informático que simula el crecimiento, el derretimiento y el movimiento del hielo marino . Se ha integrado en muchos modelos acoplados del sistema climático , así como en modelos globales de pronóstico oceánico y meteorológico , y a menudo se utiliza como herramienta en la investigación del Ártico y el Océano Austral . ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]} El desarrollo de CICE comenzó a mediados de la década de 1990 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), y actualmente es mantenido y desarrollado por un grupo de instituciones en América del Norte y Europa conocido como el Consorcio CICE. ^[10] Su uso generalizado en la ciencia del sistema terrestre se debe en parte a la importancia del hielo marino para determinar el albedo planetario de la Tierra, la fuerza de la circulación termohalina global en los océanos del mundo y para proporcionar condiciones de límite de superficie para modelos de circulación atmosférica , ya que el hielo marino ocupa una proporción significativa (4-6%) de la superficie de la Tierra . ^{[11] [12]} CICE es un tipo de modelo criosférico.

Desarrollo

Salida de CICE dentro de un modelo climático acoplado: Promedio de 2000-2004 (a) marzo y (b) septiembre Espesor y extensión del hielo marino antártico (hielo marino con una concentración mayor al 15 % ) de cinco miembros del conjunto del gran conjunto del Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM). ^[13] El contorno magenta es el borde del hielo medido según el Registro de Datos Climáticos de la NOAA . ^[14]

El desarrollo de CICE comenzó en 1994 por Elizabeth Hunke en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL). ^{[12] [15]} Desde su lanzamiento inicial en 1998 tras el desarrollo de la reología del hielo marino elástico-viscoso-plástico (EVP) dentro del modelo, ^[16] ha sido desarrollado sustancialmente por una comunidad internacional de usuarios y desarrolladores de modelos. Entre 1998 y 2005 se añadieron al modelo mejoras en la termodinámica que conserva la entalpía y en la distribución del espesor del hielo marino ^{. [17] [18] [19]} El primer usuario institucional fuera del LANL fue la Escuela Naval de Postgrado ^[15] a finales de los años 1990, donde posteriormente se incorporó al Modelo del Sistema Ártico Regional (RASM) en 2011. ^{[20] [21]} El Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) fue el primero en incorporar CICE a un modelo climático global en 2002, ^[22] y los desarrolladores del Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM) del NCAR han seguido contribuyendo a las innovaciones de CICE ^{[23] [24] [25]} y lo han utilizado para investigar la variabilidad polar en el sistema climático de la Tierra. ^[13] La Armada de los Estados Unidos empezó a utilizar CICE poco después de 2000 para la investigación polar y la previsión del hielo marino y sigue haciéndolo en la actualidad. ^{[3] [26]} Desde el año 2000, el desarrollo o acoplamiento de CICE a modelos oceánicos y atmosféricos para la predicción del tiempo y el clima se ha producido en la Universidad de Reading , ^[27] University College London , ^[28] el Centro Hadley de la Oficina Meteorológica del Reino Unido , ^[29] Environment and Climate Change Canada , ^[7] el Instituto Meteorológico Danés , ^[4] la Organización de Investigación Industrial y Científica de la Commonwealth , ^[30] y la Universidad Normal de Beijing , ^[8] entre otras instituciones. Como resultado del desarrollo del modelo en la comunidad global de usuarios de CICE, el código informático del modelo ahora incluye una biblioteca integral de física y biogeoquímica del hielo salino que incorpora termodinámica de capas blandas , ^{[31] [32]} mecánica de continuo anisotrópica , ^[33] Transferencia radiativa delta-Eddington , ^[34] física de estanques de fusión ^{[35] [36]} y hielo fijo en tierra . ^[37] La ​​versión 6 de CICE es un software de código abierto y se lanzó en 2018 en GitHub . ^[38]

Ecuaciones de piedra angular

Existen dos ecuaciones físicas principales resueltas mediante métodos numéricos en CICE que sustentan las predicciones del modelo sobre el espesor , la concentración y la velocidad del hielo marino , así como predicciones realizadas con muchas ecuaciones que no se muestran aquí y que dan, por ejemplo, el albedo de la superficie , la salinidad del hielo , la capa de nieve , la divergencia y los ciclos biogeoquímicos . La primera ecuación clave es la segunda ley de Newton para el hielo marino:

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

donde es la masa por unidad de área de hielo salino en la superficie del mar, es la velocidad de deriva del hielo, es el parámetro de Coriolis , es el vector unitario ascendente normal a la superficie del mar, y son la tensión del viento y del agua en el hielo, respectivamente, es la aceleración debida a la gravedad , es la altura de la superficie del mar y es el hielo interno el tensor de tensión bidimensional dentro del hielo. ^[16] Cada uno de los términos requiere información sobre el espesor, la rugosidad y la concentración del hielo, así como el estado de las capas límite atmosféricas y oceánicas. La masa de hielo por unidad de área se determina utilizando la segunda ecuación clave en CICE, que describe la evolución de la distribución del espesor del hielo marino para diferentes espesores de extensión del área para la que se calcula la velocidad del hielo marino anteriormente: ^[18] ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle \mathbf {u} }$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \mathrm {k} }$ ${\displaystyle \tau _{a}}$ ${\displaystyle \tau _{w}}$ ${\displaystyle \mathrm {\hat {g}} }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle g(h)}$ ${\displaystyle h}$

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

donde es el cambio en la distribución del espesor debido al crecimiento termodinámico y al derretimiento, es la función de redistribución debida a la mecánica del hielo marino y está asociada con el estrés interno del hielo , y describe la advección del hielo marino en un marco de referencia lagrangiano . ^{[18] [19]} A partir de esto, la masa de hielo viene dada por: ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \psi }$ ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$ ${\displaystyle -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )}$

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

para la densidad del hielo marino. ^[38] ${\displaystyle \rho }$

Diseño de código

Esquema que muestra la ubicación de la capa de hielo, en la que se representa la distribución del espesor (azul), dentro del núcleo dieléctrico MPAS (verde) que resuelve la evolución del momento y la advección horizontal del hielo marino en la cuadrícula no estructurada E3SM (flechas) ${\displaystyle g(h)}$

La versión 6 de CICE está codificada en FORTRAN90 . Está organizada en un núcleo dinámico (dycore) y un paquete de física de columnas separado llamado Icepack , que se mantiene como un submódulo de CICE en GitHub. ^[39] La ecuación de momento y la advección de espesor descritas anteriormente se escalonan en el tiempo en una cuadrícula B de Arakawa cuadrilátera dentro del núcleo dinámico, mientras que Icepack resuelve las ecuaciones de diagnóstico y pronóstico necesarias para calcular la física de la radiación, la hidrología, la termodinámica y la biogeoquímica vertical, incluidos los términos necesarios para calcular , , , y definidos anteriormente. CICE se puede ejecutar de forma independiente, como en la primera figura de esta página, pero con frecuencia se acopla con modelos de sistemas terrestres a través de un acoplador de flujo externo, como el acoplador de flujo CESM de NCAR ^[22] para el que se muestran los resultados en la segunda figura para el conjunto grande CESM. La física de la columna se separó en Icepack para el lanzamiento de la versión 6 para permitir la inserción en modelos de sistemas terrestres que utilizan su propio núcleo dinámico de hielo marino, incluido el nuevo Modelo de Sistema Terrestre de Exaescala de Energía del DOE (E3SM), ^{[38] [40]} que utiliza una cuadrícula no estructurada en el componente de hielo marino del Modelo para Predicción a Través de Escalas (MPAS), ^{[41] [42]} como se demuestra en la figura final. ${\displaystyle \tau _{a}}$ ${\displaystyle \tau _{w}}$ ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \psi }$

Véase también

• Hielo marino
• Comunidades microbianas del hielo marino
• Modelado de la emisividad del hielo marino
• Procesos de crecimiento del hielo marino
• Concentración de hielo marino
• Espesor del hielo marino
• Experimento sobre la física del hielo marino y el ecosistema
• Océano Ártico
• Océano Austral
• Modelo climático
• Pronóstico del tiempo
• Ruta del Mar del Norte
• Paso del Noroeste
• Antártida

Referencias

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Enlaces externos

• Página de información de GitHub del Consorcio CICE
• Modelo del Consorcio CICE para el Desarrollo del Hielo Marino
• Icepack: Física esencial para los modelos de hielo marino
• Modelado del hielo marino impulsado por la comunidad con el consorcio CICE (Witness the Arctic)
• Comunicado de prensa de la NOAA
• Océanos Profundos
• Norma del Pacífico
• phys.org: La actualización del modelo de hielo del Ártico beneficiará a la investigación polar, la industria y el ejército
• Hielo marino: más que agua congelada (Santa Fe, Nuevo México)
• Modelo del sistema terrestre a escala de energía exaescala (E3SM)
• Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM)