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[CM2015] Chapter 5 - Sea Ice Model

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This is one of the course slides for the class "Climate Modeling (2015)" at Peking University.

Published in: Education
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[CM2015] Chapter 5 - Sea Ice Model

  1. 1. Chapter 5 Sea-Ice Model 海冰模式
  2. 2. Outline • 基本图景和框架 • 热力学海冰模式 • 海冰厚度的格点内分布 • 动力学海冰模式
  3. 3. 基本图景
  4. 4. Video Arctic Sea-ice, Sep 2003~May 2004
  5. 5. 海冰模式的基本框架 热力学海冰模式 Thermodynamic Sea-Ice Model 垂向:海冰的形成与消融 Key Coupling 格点内 厚度分布 动力学海冰模式 Dynamic Sea-Ice Model 水平:海冰平板的运动 热力学海冰模式 完整海冰模式 Two-Level海冰模式
  6. 6. 热力学海冰模式的图景 上界面:与大气的热通量(感热SH;辐射SW) 雪层:积累厚度(成冰早期极重要)与热传导 冰层:积累厚度与热传导 下界面:与海水的热通量(感热SH)
  7. 7. 基本概念1:冰厚度是时间的函数 Day 10 H=2m Ta=-40C To=-2C Day 20 H=2.2m Day 30 H=2.22m 引入积温概念 “Degree Day”
  8. 8. 基本概念2:垂向热传导(Fourier) Snow Ice
  9. 9. 基本概念3:冰内部的热扩散(Laplace) Ice z H
  10. 10. 冰热导系数 J/cm/day/K 热力学海冰-经验法 • 依赖经验关系:海冰厚度是积温的函数 Anderson, 1961 单位 cm 积温 degree day Anderson Formula Maykut Formula (Maykut, 1978, 1986) Anderson法将雪层视为海冰的一部分 相当于隐式地考虑了雪层 雪热导系数 J/cm/day/K
  11. 11. Anderson vs. Maykut Anderson 无雪层 Maykut 薄雪层 Maykut 厚雪层 Maykut
  12. 12. 温度廓线 海冰厚度算出来 即可线性插值得 到雪层和冰层的 温度廓线 若需要:进一步 的L形式的热扩 散可显式计算
  13. 13. 盐水泡订正 盐水泡 Brine Pockets 很小0.1-1mm 新冰:5-10 ppt 多年冰:2-4 ppt 盐水泡影响海冰的诸 多理化性质:冰点、 密度、比热、热导率、 颜色、Albedo 1971 1976
  14. 14. 海冰厚度的格点内分布 海冰堆叠累积 厚度增长很快 有海冰的面积 A Sea-ice Concentration (Fraction) 无海冰的面积 (1-A) Sea-ice Free 海冰薄到可忽略 Hibler, 1979 H0=0.5m (Hibler, 1979) H0=1.0m (Hibler & Ackley, 1983)
  15. 15. 举例
  16. 16. 大气风应力 海洋流应力 科氏力 海冰动力学的图景
  17. 17. 动力学海冰模式 科氏力 海面倾斜 大气 风应力 海洋 流应力 冰内部 应力 (1hr就消解) 冬季北极海冰的典型情况 Free Drift 陆-冰边界处常见
  18. 18. 当风较小时,应力偏转角很大(Ekman深厚) 当风较大时,应力偏转角可小至20度以内(Ekman薄) 冰越厚,移动越慢,右偏越严重
  19. 19. Rheology 形变应力 Ice Rheology Coastal Free Drift 形变应力 自由漂流 发生位置 陆地-海冰交界处 海冰内区 动力方程中的大项 内部应力项 上面风应力、下面流应力 非线性特征 高度非线性,裂痕 近线性 对海冰影响 厚度快速增长 厚度不变
  20. 20. 例:多种边界处理的对比 Free Drift 真实可压缩 空穴流体 不可压缩 空穴流体 有粘性 弹性流体 (VP fluid)
  21. 21. Outline • 基本图景和框架 • 热力学海冰模式 • 海冰厚度的格点内分布 • 动力学海冰模式 • 阅读作业: Chapter 12 – Sea Ice Models William D. Hibler, III and Gregory M. Flato

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