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冰盖模型

一月 01, 1970

冰盖模型是采用数值方法模拟冰盖的演变、动力学和热力学过程的气候模型，包括格陵兰冰盖、南极冰盖或北半球末次冰期大冰盖的模拟。它们被用于研究过去冰期-间冰期循环中冰川的作用、预测未来全球变暖条件下冰盖衰变等。

历史 编辑

对冰盖的研究始于18世纪中叶。[1]自《冰川学杂志》（Journal of Glaciology）创刊以来，物理学家一直在发表有关冰川力学的研究成果。[1]

 
巴恩斯冰帽

第一个三维冰盖模型被用于巴恩斯冰帽（英语：Barnes Ice Cap）模拟。[1]1988年，首个涵盖冰架、冰盖/冰架过渡、膜应力梯度、冰川床等静力调整、基底滑动（英语：Basal sliding）的热力学耦合模型诞生，并被用于南极冰盖。[1]该模型的空间分辨率为40公里，并分为10个垂直层。[1]

1990年IPCC第一次评估报告发布时，冰盖并非是气候系统模型的主动组成部分，其演化预测基于全球温度与地表物质平衡之间的关联。[2]到1996年IPCC第二次评估报告发布时，冰盖的二维和三维建模已加入其中。[2]1990年代还涌现出了多种计算模型，并诞生了欧洲冰盖建模计划（European Ice Sheet Modelling Initiative，简称EISMINT）。[1][3]EISMINT在1990年代组织了多次国际研讨会，比较了格陵兰冰盖、南极冰盖、冰架、热力机械、基线（grounding line）等多种模型。[3]

首个集成完整斯托克斯动力学一阶近似的冰盖模型于2000年代提出。[1]IPCC第四次评估报告展示了冰盖模型的快速动力响应预测，并提供冰量显著减少的证据。[2]

2016年，耦合模型比对计划（英语：Coupled Model Intercomparison Project）第6阶段提出了“”冰盖模型比对计划”（Ice Sheet Model Intercomparison Project），为与冰盖建模相关的所有变量定义了标准。[4]该计划促进了冰盖模型在数值与物理方法两方面的改进。[5]

模型 编辑

冰流 编辑

浅冰近似 编辑

浅冰近似（Shallow Ice Approximation，简称SIA）是一种模拟冰流的简单方法，无需求解完整的斯托克斯方程。[6]这一近似方法适用于深宽比较小、滑移很少且冰川床地形简单的冰盖。[7]浅冰近似假设基底剪应力在冰盖运动中占主导地位，没有考虑其他许多受力，可以被视为一种零阶模型。[7][8]它还假设基底剪应力与冰的重力推动力相互平衡。[7]该方法计算成本较低。[8]

浅冰架近似 编辑

浅冰架近似（Shallow Shelf Approximation，简称SSA）是另一种模拟冰流的方法，特别适用于描述浮冰的薄膜型流动或者在基底上滑动的冰流。[9]SSA也称为膜模型（membrane model），类似于流体动力学中的自由膜模型。[10]与浅冰近似相反，浅冰架近似适用于轴向力较强的冰流，而不考虑基底剪应力。[7]该方法也是一种零阶模型。[7]

完整斯托克斯方程 编辑

冰是一种粘性流体，因而可以用流体力学中的纳维-斯托克斯方程来描述，这一控制方程考虑到了冰上的所有受力。[6]在流速很低时，纳维-斯托克斯方程可以被简化为斯托克斯方程。其计算成本较高，不易大规模使用，通常只用基线等于特定场景。[11]

 
冰盖与冰架示意图

与其他气候条件的相互作用 编辑

冰盖与周围的大气、海洋和冰下地层相互作用。[12]为了建立全面的冰盖模型，所有这些部分都需要被纳入考虑。[12]

基底条件在决定冰盖行为方面发挥着重要作用。然而基底热状态（冰融化或冻结）和基底地形数据都很难获得。[12]最常用的方法是应用质量守恒约束。[12]

夏季日照是温度变化的主要原因，影响到冰盖的融化速度和质量平衡。[13]例如，冰体体积与夏季日照的依赖关系可以表示为 ，其中I是冰体体积， 是单位时间内体积的变化率，T是冰盖的响应时间，S是日照信号。[13]

空气温度在冰盖模型中也是必需的，因为它可以反映表面融化率和径流速度。[14]例如，可以用纬度、海拔高度h来估算年平均温度：[14] ，其中假设冰架表面温度与海拔1千米处一样寒冷。[14]

降水量与气温直接相关，并取决于冰盖上方和周围的湿度。[14]降水在冰盖融化和堆积过程中也起着重要作用。[14]

崩解 编辑

崩解是冰盖模型研究的一个活跃领域。[12]潮汐、基底裂缝、与冰山的碰撞、厚度和温度等不同因素都会影响到崩解过程。[15]近年来海洋冰盖不稳定性（英语：Marine Ice Sheet Instability）、海洋冰崖不稳定性（英语：Marine Ice Cliff Instability）等概念的发展促进了对冰盖崩解过程更全面的理解。[16]

参见 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Blatter, Heinz; Greve, Ralf; Abe-Ouchi, Ayako. A short history of the thermomechanical theory and modeling of glaciers and ice sheets. Journal of Glaciology. 2010, 56 (200): 1087–1094. Bibcode:2010JGlac..56.1087B. ISSN 0022-1430. doi:10.3189/002214311796406059  . hdl:2115/46879   （英语）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Shepherd, Andrew; Nowicki, Sophie. Improvements in ice-sheet sea-level projections. Nature Climate Change. October 2017, 7 (10): 672–674. Bibcode:2017NatCC...7..672S. ISSN 1758-678X. doi:10.1038/nclimate3400 （英语）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Philippe, Huybrechts. Report of the Third EISMINT Workshop on Model Intercomparison (PDF). 1997. 
  4. ^ Nowicki, Sophie M. J.; Payne, Anthony; Larour, Eric; Seroussi, Helene; Goelzer, Heiko; Lipscomb, William; Gregory, Jonathan; Abe-Ouchi, Ayako; Shepherd, Andrew. Ice Sheet Model Intercomparison Project (ISMIP6) contribution to CMIP6. Geoscientific Model Development. 2016-12-21, 9 (12): 4521–4545. Bibcode:2016GMD.....9.4521N. ISSN 1991-9603. PMC 5911933  . PMID 29697697. doi:10.5194/gmd-9-4521-2016   （英语）. 
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  9. ^ Two stress balance models: SIA and SSA – PISM, a Parallel Ice Sheet Model 1.2.1 documentation. pism-docs.org. [2021-10-19]. 
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一月 01, 1970
冰盖模型, 是采用数值方法模拟冰盖的演变, 动力学和热力学过程的气候模型, 包括格陵兰冰盖, 南极冰盖或北半球末次冰期大冰盖的模拟, 它们被用于研究过去冰期, 间冰期循环中冰川的作用, 预测未来全球变暖条件下冰盖衰变等, 目录, 历史, 模型, 冰流, 浅冰近似, 浅冰架近似, 完整斯托克斯方程, 与其他气候条件的相互作用, 崩解, 参见, 参考文献历史, 编辑对冰盖的研究始于18世纪中叶, 冰川学杂志, journal, glaciology, 创刊以来, 物理学家一直在发表有关冰川力学的研究成果, nbsp, . 冰盖模型是采用数值方法模拟冰盖的演变 动力学和热力学过程的气候模型 包括格陵兰冰盖 南极冰盖或北半球末次冰期大冰盖的模拟 它们被用于研究过去冰期 间冰期循环中冰川的作用 预测未来全球变暖条件下冰盖衰变等 目录 1 历史 2 模型 2 1 冰流 2 1 1 浅冰近似 2 1 2 浅冰架近似 2 1 3 完整斯托克斯方程 2 2 与其他气候条件的相互作用 2 3 崩解 3 参见 4 参考文献历史 编辑对冰盖的研究始于18世纪中叶 1 自 冰川学杂志 Journal of Glaciology 创刊以来 物理学家一直在发表有关冰川力学的研究成果 1 nbsp 巴恩斯冰帽 第一个三维冰盖模型被用于巴恩斯冰帽 英语 Barnes Ice Cap 模拟 1 1988年 首个涵盖冰架 冰盖 冰架过渡 膜应力梯度 冰川床等静力调整 基底滑动 英语 Basal sliding 的热力学耦合模型诞生 并被用于南极冰盖 1 该模型的空间分辨率为40公里 并分为10个垂直层 1 1990年IPCC第一次评估报告发布时 冰盖并非是气候系统模型的主动组成部分 其演化预测基于全球温度与地表物质平衡之间的关联 2 到1996年IPCC第二次评估报告发布时 冰盖的二维和三维建模已加入其中 2 1990年代还涌现出了多种计算模型 并诞生了欧洲冰盖建模计划 European Ice Sheet Modelling Initiative 简称EISMINT 1 3 EISMINT在1990年代组织了多次国际研讨会 比较了格陵兰冰盖 南极冰盖 冰架 热力机械 基线 grounding line 等多种模型 3 首个集成完整斯托克斯动力学一阶近似的冰盖模型于2000年代提出 1 IPCC第四次评估报告展示了冰盖模型的快速动力响应预测 并提供冰量显著减少的证据 2 2016年 耦合模型比对计划 英语 Coupled Model Intercomparison Project 第6阶段提出了 冰盖模型比对计划 Ice Sheet Model Intercomparison Project 为与冰盖建模相关的所有变量定义了标准 4 该计划促进了冰盖模型在数值与物理方法两方面的改进 5 模型 编辑冰流 编辑 浅冰近似 编辑 浅冰近似 Shallow Ice Approximation 简称SIA 是一种模拟冰流的简单方法 无需求解完整的斯托克斯方程 6 这一近似方法适用于深宽比较小 滑移很少且冰川床地形简单的冰盖 7 浅冰近似假设基底剪应力在冰盖运动中占主导地位 没有考虑其他许多受力 可以被视为一种零阶模型 7 8 它还假设基底剪应力与冰的重力推动力相互平衡 7 该方法计算成本较低 8 浅冰架近似 编辑 浅冰架近似 Shallow Shelf Approximation 简称SSA 是另一种模拟冰流的方法 特别适用于描述浮冰的薄膜型流动或者在基底上滑动的冰流 9 SSA也称为膜模型 membrane model 类似于流体动力学中的自由膜模型 10 与浅冰近似相反 浅冰架近似适用于轴向力较强的冰流 而不考虑基底剪应力 7 该方法也是一种零阶模型 7 完整斯托克斯方程 编辑 冰是一种粘性流体 因而可以用流体力学中的纳维 斯托克斯方程来描述 这一控制方程考虑到了冰上的所有受力 6 在流速很低时 纳维 斯托克斯方程可以被简化为斯托克斯方程 其计算成本较高 不易大规模使用 通常只用基线等于特定场景 11 nbsp 冰盖与冰架示意图 与其他气候条件的相互作用 编辑 冰盖与周围的大气 海洋和冰下地层相互作用 12 为了建立全面的冰盖模型 所有这些部分都需要被纳入考虑 12 基底条件在决定冰盖行为方面发挥着重要作用 然而基底热状态 冰融化或冻结 和基底地形数据都很难获得 12 最常用的方法是应用质量守恒约束 12 夏季日照是温度变化的主要原因 影响到冰盖的融化速度和质量平衡 13 例如 冰体体积与夏季日照的依赖关系可以表示为d I d t 1 T S I displaystyle d I over d t 1 over T S I nbsp 其中I是冰体体积 d I d t displaystyle d I over d t nbsp 是单位时间内体积的变化率 T是冰盖的响应时间 S是日照信号 13 空气温度在冰盖模型中也是必需的 因为它可以反映表面融化率和径流速度 14 例如 可以用纬度 海拔高度h来估算年平均温度 14 T a m l T c 1 m a x h 1000 c 2 l a t displaystyle T aml T c 1 max h 1000 c 2 lat nbsp 其中假设冰架表面温度与海拔1千米处一样寒冷 14 降水量与气温直接相关 并取决于冰盖上方和周围的湿度 14 降水在冰盖融化和堆积过程中也起着重要作用 14 崩解 编辑 崩解是冰盖模型研究的一个活跃领域 12 潮汐 基底裂缝 与冰山的碰撞 厚度和温度等不同因素都会影响到崩解过程 15 近年来海洋冰盖不稳定性 英语 Marine Ice Sheet Instability 海洋冰崖不稳定性 英语 Marine Ice Cliff Instability 等概念的发展促进了对冰盖崩解过程更全面的理解 16 参见 编辑冰盖动力学 海平面上升参考文献 编辑 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 Blatter Heinz Greve Ralf Abe Ouchi Ayako A short history of the thermomechanical theory and modeling of glaciers and ice sheets Journal of Glaciology 2010 56 200 1087 1094 Bibcode 2010JGlac 56 1087B ISSN 0022 1430 doi 10 3189 002214311796406059 nbsp hdl 2115 46879 nbsp 英语 2 0 2 1 2 2 Shepherd Andrew Nowicki Sophie Improvements in ice sheet sea level projections Nature Climate Change October 2017 7 10 672 674 Bibcode 2017NatCC 7 672S ISSN 1758 678X doi 10 1038 nclimate3400 英语 3 0 3 1 Philippe Huybrechts Report of the Third EISMINT Workshop on Model Intercomparison PDF 1997 Nowicki Sophie M J Payne Anthony Larour Eric Seroussi Helene Goelzer Heiko Lipscomb William Gregory Jonathan Abe Ouchi Ayako Shepherd Andrew Ice Sheet Model Intercomparison Project ISMIP6 contribution to CMIP6 Geoscientific Model Development 2016 12 21 9 12 4521 4545 Bibcode 2016GMD 9 4521N ISSN 1991 9603 PMC 5911933 nbsp PMID 29697697 doi 10 5194 gmd 9 4521 2016 nbsp 英语 Pattyn Frank The paradigm shift in Antarctic ice sheet modelling Nature Communications December 2018 9 1 2728 Bibcode 2018NatCo 9 2728P ISSN 2041 1723 PMC 6048022 nbsp PMID 30013142 doi 10 1038 s41467 018 05003 z 英语 6 0 6 1 Oerlemans J Glacial cycles and ice sheet modelling Climatic Change December 1982 4 4 353 374 Bibcode 1982ClCh 4 353O ISSN 0165 0009 S2CID 189889177 doi 10 1007 BF02423468 hdl 1874 21024 nbsp 英语 7 0 7 1 7 2 7 3 7 4 Davies Bethan A hierarchy of ice sheet models AntarcticGlaciers org 22 June 2020 2021 10 18 美国英语 8 0 8 1 Van Den Berg J Van De Wal R S W Oerlemans J Effects of spatial discretization in ice sheet modelling using the shallow ice approximation Journal of Glaciology 2006 52 176 89 98 Bibcode 2006JGlac 52 89V ISSN 0022 1430 doi 10 3189 172756506781828935 nbsp 英语 Two stress balance models SIA and SSA PISM a Parallel Ice Sheet Model 1 2 1 documentation pism docs org 2021 10 19 Schoof Christian Hewitt Ian Ice Sheet Dynamics Annual Review of Fluid Mechanics 2013 01 03 45 1 217 239 Bibcode 2013AnRFM 45 217S ISSN 0066 4189 doi 10 1146 annurev fluid 011212 140632 英语 Davies Bethan A hierarchy of ice sheet models AntarcticGlaciers org 22 June 2020 2021 10 18 美国英语 12 0 12 1 12 2 12 3 12 4 Goelzer Heiko Robinson Alexander Seroussi Helene van de Wal Roderik S W Recent Progress in Greenland Ice Sheet Modelling Current Climate Change Reports December 2017 3 4 291 302 Bibcode 2017CCCR 3 291G ISSN 2198 6061 PMC 6959375 nbsp PMID 32010550 doi 10 1007 s40641 017 0073 y 英语 13 0 13 1 Ruddiman 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title 冰盖模型 amp oldid 80414377, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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