CICE (modelo de hielo marino)

Modelo informático que simula el hielo marino

CICE ( / s aɪ s / ) es un modelo informático que simula el crecimiento, derretimiento y movimiento del hielo marino . Se ha integrado en muchos modelos de sistemas climáticos acoplados , así como en modelos mundiales de predicción meteorológica y oceánica , y se utiliza a menudo como herramienta en la investigación del Ártico y del 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 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 límite de superficie para los modelos de circulación atmosférica , ya que el mar El hielo ocupa una proporción importante (4-6%) de la superficie terrestre . ^{[11] [12]} CICE es un tipo de modelo criosférico.

Desarrollo

Resultados 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 superior al 15% ) de cinco miembros del conjunto del Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM). ) conjunto grande. ^[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 Alamos (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 agregaron al modelo termodinámica de conservación de entalpía y mejoras en la distribución del espesor del hielo marino. ^{[17] [18] [19]} El primer usuario institucional fuera de LANL fue la Escuela de Postgrado Naval ^[15] a fines de la década de 1990 , donde posteriormente se incorporó al Modelo Regional del Sistema Ártico (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) de 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 comenzó a utilizar CICE poco después del año 2000 para la investigación polar y la predicción del hielo marino y continúa haciéndolo en la actualidad. ^{[3] [26]} Desde 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 ]} Medio Ambiente y Cambio Climático de Canadá , ^[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 de computadora del modelo ahora incluye una biblioteca integral de biogeoquímica y física del hielo salino que incorpora termodinámica de capas blandas , ^{[31] [32]} mecánica continua anisotrópica , ^[33] Transferencia radiativa Delta-Eddington , ^[34] física de estanques de fusión ^{[35] [36]} y hielo firme en tierra . ^[37] La ​​versión 6 de CICE es un software de código abierto y se lanzó en 2018 en GitHub . ^[38]

Ecuaciones clave

Hay dos ecuaciones físicas principales resueltas utilizando métodos numéricos en CICE que respaldan 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, dando, por ejemplo, albedo de la superficie , salinidad del hielo y capa de nieve. , divergencia y 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 sobre 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 atmosférica y oceánica. 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 del área para la cual se calcula anteriormente la velocidad del hielo marino: ^[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 el derretimiento, es la función de redistribución debido 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 demuestra la ubicación de Icepack, en el que se representa la distribución del espesor (azul), dentro del dicore MPAS (verde) que resuelve la evolución del impulso y la advección horizontal del hielo marino en la cuadrícula no estructurada E3SM (flechas) ${\displaystyle g(h)}$

CICE versión 6 está codificada en FORTRAN90 . Está organizado en un núcleo dinámico (dycore) y un paquete de física de columnas separado llamado Icepack , que se mantiene como un submódulo CICE en GitHub. ^[39] La ecuación de momento y la advección de espesor descritas anteriormente están escalonadas en el tiempo en una cuadrícula B cuadrilátera de Arakawa 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. necesario calcular , , , y definido anteriormente. CICE se puede ejecutar de forma independiente, como en la primera figura de esta página, pero frecuentemente se combina con modelos de sistemas terrestres a través de un acoplador de flujo externo, como el acoplador de flujo CESM de NCAR ^[22] cuyos resultados se muestran en la segunda figura para el Gran Conjunto CESM. La física de la columna se separó en Icepack para el lanzamiento de la versión 6 para permitir la inserción en modelos del sistema terrestre que utilizan su propio núcleo dinámico de hielo marino, incluido el nuevo modelo del sistema terrestre en exaescala de energía DOE (E3SM), ^{[38] [40]} que utiliza un cuadrícula no estructurada en el componente de hielo marino del modelo de predicción a través de escalas (MPAS), ^{[41] [42]} como se demuestra en la figura final. ${\displaystyle \tau _{a}}$ ${\displaystyle \tau _{w}}$ ${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \psi }$

Ver también

• Hielo marino
• Comunidades microbianas del hielo marino
• Modelización de la emisividad del hielo marino
• Procesos de crecimiento del hielo marino.
• Concentración de hielo marino
• Espesor del hielo marino
• Experimento de ecosistemas y física del hielo marino
• océano Ártico
• Oceano del Sur
• Modelo climático
• Predicción del tiempo
• Ruta del Mar del Norte
• Pasaje 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 modelos de hielo marino
• Modelado de hielo marino impulsado por la comunidad con el Consorcio CICE (Testigo del Ártico)
• comunicado de prensa de la NOAA
• Océanos profundamente
• Estándar del Pacífico
• phys.org: Actualización del modelo de hielo del Ártico en beneficio de la investigación polar, la industria y el ejército
• Hielo marino: algo más que agua congelada (Santa Fe Nuevo México)
• Modelo energético del sistema terrestre a exaescala (E3SM)
• Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM)