影響海冰變化的熱力學(xué)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬(一)

1、影響海冰變化的影響海冰變化的熱力學(xué)過(guò)程和動(dòng)力熱力學(xué)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)學(xué)過(guò)程過(guò)程及其數(shù)值模擬及其數(shù)值模擬（一）熱力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬（一）熱力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬（二）動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬（二）動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬（一）熱力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬（一）熱力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬(A) 海冰反照率海冰反照率 海冰的增長(zhǎng)和融化海冰的增長(zhǎng)和融化(A) 海冰反照率海冰反照率1、影響海冰反照率因素、影響海冰反照率因素2、海冰模式中海冰反照率的模擬、海冰模式中海冰反照率的模擬2、海冰模式中海冰反照率的模擬、海冰模式中海冰反照率的模擬先單獨(dú)考慮雪的反照率先單獨(dú)考慮雪的反照率,再單獨(dú)考慮冰的反再單獨(dú)考慮冰的反照率照率,有雪

2、覆蓋的冰蓋的反照率按二者的覆蓋率有雪覆蓋的冰蓋的反照率按二者的覆蓋率取加權(quán)平均取加權(quán)平均.單獨(dú)考慮雪的反照率單獨(dú)考慮雪的反照率:干雪反照率干雪反照率 利用表面溫度可考慮雪融化對(duì)反照率利用表面溫度可考慮雪融化對(duì)反照率的影響的影響.當(dāng)雪面溫度大于當(dāng)雪面溫度大于-0.1C時(shí)ssss(dry)=0.98, (dry)=0.7(dry)=0.98, (dry)=0.7vsdfnidfvsdfnidf T T = =T T+ +1 1. .0 0s ss sn nc cs ss s( (m me el lt t) )= =( (d dr ry y) )- -0 0. .1 1T Ts sv vs sd d

3、f fv vs sd df fs ss s( (m me el lt t) )= =( (d dr ry y) )- -0 0. .1 15 5T Ts sn ni id df fn ni id df f單獨(dú)考慮冰的反照率單獨(dú)考慮冰的反照率:干冰反照率干冰反照率 ，分厚冰和薄冰兩種情況，分厚冰和薄冰兩種情況厚冰（厚冰（0.5m)：薄冰（薄冰（0.5m)：取厚冰反照率和開洋：取厚冰反照率和開洋面反照率的加權(quán)平均面反照率的加權(quán)平均利用表面溫度可考慮冰融化對(duì)反照率利用表面溫度可考慮冰融化對(duì)反照率的影響的影響.當(dāng)冰面溫度大于當(dāng)冰面溫度大于-0.1C時(shí)icic T=T +1.0 T=T +1.0icic

4、icicicic(melt)=(dry)-0.075T(melt)=(dry)-0.075Ticicvsdfvsdfvsdfvsdficicicic(melt)=(dry)-0.075T(melt)=(dry)-0.075Ticicnidfnidfnidfnidficicicic(dry)=0.78, (dry)=0.36(dry)=0.78, (dry)=0.36vsdfnidfvsdfnidf海冰反照率海冰反照率海冰反照率特征海冰反照率特征海冰反照率特征的數(shù)值模擬海冰反照率特征的數(shù)值模擬小結(jié)與回顧小結(jié)與回顧(B) 海冰的增長(zhǎng)和融化海冰的增長(zhǎng)和融化、海冰的生（生成和增長(zhǎng)）、海冰的生（生成和增

5、長(zhǎng)）、 消（融化）過(guò)程消（融化）過(guò)程2、海冰增長(zhǎng)和融化過(guò)程的數(shù)值模擬、海冰增長(zhǎng)和融化過(guò)程的數(shù)值模擬垂直方向垂直方向水平方向水平方向2、海冰增長(zhǎng)和融化過(guò)程的數(shù)值模擬、海冰增長(zhǎng)和融化過(guò)程的數(shù)值模擬這里，熱平衡方程沒(méi)有考慮熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的計(jì)算與上、下表面狀況有關(guān)，計(jì)算較復(fù)雜。 垂直方向垂直方向、海冰增長(zhǎng)和融化過(guò)程的數(shù)值模擬、海冰增長(zhǎng)和融化過(guò)程的數(shù)值模擬 水平方向水平方向海冰側(cè)向海冰側(cè)向增長(zhǎng)增長(zhǎng)和融化依賴于凍結(jié)和融化依賴于凍結(jié)/融化熱融化熱FQoi當(dāng)時(shí)，有屑冰生成，假設(shè)屑冰當(dāng)時(shí)，有屑冰生成，假設(shè)屑冰在開洋面或最薄的海冰種類中生成在開洋面或最薄的海冰種類中生成 需要需要調(diào)整最薄海冰種類，將新生成的屑冰添

6、加到調(diào)整最薄海冰種類，將新生成的屑冰添加到這一種類中這一種類中 .當(dāng)時(shí)，熱量被用于融化海冰，當(dāng)時(shí)，熱量被用于融化海冰，海冰密集度減小海冰密集度減小FQoiFQoi海冰增加、融化數(shù)值模擬例子海冰增加、融化數(shù)值模擬例子底部增長(zhǎng)率底部增長(zhǎng)率側(cè)向增長(zhǎng)率側(cè)向增長(zhǎng)率（全年平均）（全年平均）底部融化率底部融化率側(cè)向融化率側(cè)向融化率頂部融化率頂部融化率（二）動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬（二）動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)值模擬1、海冰基本形變過(guò)程、海冰基本形變過(guò)程2、海冰流變學(xué)、海冰流變學(xué)3、海冰動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬、海冰動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬1、海冰基本形變過(guò)程、海冰基本形變過(guò)程皺折皺折(Buckling)疊擠疊擠(Rafting)

7、成脊成脊(Ridging)斷裂斷裂(Fracturing)皺折皺折(Buckling)疊擠疊擠(Rafting)Simple raftingFingerrafting成脊成脊(Ridging)Pressure ridgingShear ridging斷裂斷裂(Fracturing)海冰基本形變過(guò)程海冰基本形變過(guò)程皺折皺折(Buckling)疊擠疊擠(Rafting)成脊成脊(Ridging)斷裂斷裂(Fracturing)小結(jié)與回顧小結(jié)與回顧2、海冰流變學(xué)、海冰流變學(xué)(ice rheology)流變學(xué)流變學(xué)海冰流變學(xué)海冰流變學(xué)海冰流變學(xué)的種類海冰流變學(xué)的種類2、海冰流變學(xué)、海冰流變學(xué)(ice

8、rheology)海冰流變學(xué)的種類海冰流變學(xué)的種類剛塑性流變學(xué)剛塑性流變學(xué)(Rigid-plastic rheology) Rothrock75彈塑性流變學(xué)（彈塑性流變學(xué)（Elastic-plastic rheology) Coon74粘塑性流變學(xué)粘塑性流變學(xué)（Viscous-plastic rheology) Hibler79空化流體流變學(xué)（空化流體流變學(xué)（Cavitating fluid rheology) Flatoet91彈粘塑性流變學(xué)彈粘塑性流變學(xué)（Elastic-viscous-plastic rheology) (Hunk97)碰撞流變學(xué)（碰撞流變學(xué)（Collisionalrhe

9、ology) Shenetal87緩慢形變顆粒物質(zhì)雙滑動(dòng)模型（緩慢形變顆粒物質(zhì)雙滑動(dòng)模型（double sliding model) (Tremblay and Mysak,1997)各向異性彈塑性模型（各向異性彈塑性模型（anisotropic elastic-plastic） (Coon et al., 1998; Pritchard, 1998) 海冰流變學(xué)海冰流變學(xué)基本概念基本概念海冰流變學(xué)的種類海冰流變學(xué)的種類小結(jié)與回顧小結(jié)與回顧3、海冰動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬、海冰動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬不同海冰動(dòng)力學(xué)模式的主要差異不同海冰動(dòng)力學(xué)模式的主要差異數(shù)值算法數(shù)值算法海冰流變學(xué)海冰流變學(xué)應(yīng)用于氣候研究

10、的海冰動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬應(yīng)用于氣候研究的海冰動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬離散元方法（離散元方法（discrete element method) (Hopkins, 1992)分布質(zhì)量離散冰塊方法（分布質(zhì)量離散冰塊方法（Distributed Mass/Discrete Floe ）(Rheem, 1997)海冰動(dòng)力學(xué)模式常用的數(shù)值算法海冰動(dòng)力學(xué)模式常用的數(shù)值算法基于拉格朗日體系的方法基于拉格朗日體系的方法粒子胞粒子胞(質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格)方法（方法（ particle-in-cell ）(Flato and Hibler, 1993) 平滑粒子平滑粒子(質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn))水動(dòng)力學(xué)方法（水動(dòng)力學(xué)方法（ smoothe

11、d-particle hydrodynamics ）(Shen, et al., 1993) 基于歐拉體系的方法基于歐拉體系的方法有限元法有限元法(Loset, 1996)有限差分法有限差分法應(yīng)用于氣候研究的海冰動(dòng)力學(xué)模式一般采用應(yīng)用于氣候研究的海冰動(dòng)力學(xué)模式一般采用歐拉有限差分法（但不排除歐拉有限差分法（但不排除部分采用拉格朗日方法）部分采用拉格朗日方法）應(yīng)用于氣候研究的海冰動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬應(yīng)用于氣候研究的海冰動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬動(dòng)量平衡方程：動(dòng)量平衡方程：ummfk umg Haoot 影響海冰移動(dòng)的主要作用力：影響海冰移動(dòng)的主要作用力：大氣、海洋應(yīng)力和海冰相互作用力大氣、海洋應(yīng)力和海冰相互作

12、用力利用海冰流變學(xué)可求出海冰內(nèi)部應(yīng)力利用海冰流變學(xué)可求出海冰內(nèi)部應(yīng)力影響海冰移動(dòng)的四種作用力（影響海冰移動(dòng)的四種作用力（N/m2) (三月水平分量三月水平分量)大氣應(yīng)力大氣應(yīng)力海洋應(yīng)力海洋應(yīng)力內(nèi)部冰應(yīng)力內(nèi)部冰應(yīng)力散度散度科氏力科氏力ummfk umg Haoot 以廣為使用的粘性塑性流變學(xué)以廣為使用的粘性塑性流變學(xué)(VP)為例做簡(jiǎn)要介紹為例做簡(jiǎn)要介紹由粘性流體的一般應(yīng)力由粘性流體的一般應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：應(yīng)變關(guān)系： 2()2ijijkkijijP 1()2jiijjiuuxx由VP流變學(xué)，屈服函數(shù)滿足：2222()2(,)1()()22IIIIIIPYPPe根據(jù)此函數(shù)，利用正交流法則，可求出線性和

13、切變粘性系數(shù)，根據(jù)此函數(shù)，利用正交流法則，可求出線性和切變粘性系數(shù)，進(jìn)而利用迭代方法（應(yīng)變率是冰流的函數(shù)，而冰流是未知量）進(jìn)而利用迭代方法（應(yīng)變率是冰流的函數(shù)，而冰流是未知量）由應(yīng)力由應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求出海冰內(nèi)部應(yīng)力。應(yīng)變關(guān)系求出海冰內(nèi)部應(yīng)力。模擬的波弗模擬的波弗特渦和穿極特渦和穿極漂流漂流海冰動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬海冰動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬海冰動(dòng)力學(xué)模式的差異海冰動(dòng)力學(xué)模式的差異海冰動(dòng)力學(xué)模擬原理示例說(shuō)明海冰動(dòng)力學(xué)模擬原理示例說(shuō)明小結(jié)與回顧小結(jié)與回顧應(yīng)用于氣候研究的海冰模式簡(jiǎn)介應(yīng)用于氣候研究的海冰模式簡(jiǎn)介（一）按論文作者分類介紹（一）按論文作者分類介紹（二）各研究中心的海冰模式（二）各研究中心的海冰模

14、式（一）按論文作者分類（一）按論文作者分類熱力學(xué)海冰模式：熱力學(xué)海冰模式：Semtner(1976)：2個(gè)版本個(gè)版本W(wǎng)ashington et al. (1976) Parkinson 和和 Washington(1979) Hibler(1979) Bitz and Lipscomb(1999)動(dòng)力學(xué)海冰模式（不同的海冰流變學(xué)）動(dòng)力學(xué)海冰模式（不同的海冰流變學(xué)）Hiblers(1979) Flato and Hibler, （1992） Hunke and Dukowicz,1997 Tremblay and Mysak,1997（二）各研究中心的海冰模式（二）各研究中心的海冰模式LASG/IAP海冰模式海冰模式NCAR CCSM3之之CSIM5LLNL CICEGFDL FMS 之之 SISUMI (United Model ice component)MIT MITgcm 之之 seaice感興趣學(xué)生進(jìn)一步閱讀的參考資料：感興趣學(xué)生進(jìn)一步閱讀的參考資料： http:/psc.apl.w