[論文レビュー] Towards the inclusion of wave-ice interactions in large-scale models for the Marginal Ice Zone

Timothy Williams, Luke G. Bennetts+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Arctic and Antarctic ice dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、海氷が波を減衰させることと波誘発性氷破壊を連携する波-氷相互作用モデルを提示し、大規模な運用型海洋-氷モデルに統合可能である。モデルの精度は波減衰モデル、数値スキーム、氷の物性に強く依存しており、過剰減衰やMIZ幅の過小予測を避けるために正確な実装が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

A wave-ice interaction model for the marginal ice zone (MIZ) is reported, which involves both the attenuation of ocean surface waves by sea ice and the concomitant breaking of the ice by waves. It is specifically designed to embed wave-ice interactions in an operational ice/ocean model for the first time. We investigate different methods of including the wave forcing, and different criteria for determining if they cause floes to break. We also investigate and discuss the effects of using various attenuation models, finding that predicted MIZ widths are quite sensitive to the choice of model. Additional sensitivity tests are performed on: (i) different parameterizations of the floe size distribution (FSD), including the initial FSD used; (ii) the properties of the wave field; and (iii) the sea ice properties such as concentration, thickness and breaking strain. Results are relatively insensitive to FSD parameterization but vary noticeably and systematically with its initial configuration, as they do with properties (ii-iii). An additional, somewhat surprising sensitivity, is the degree of influence of the numerical scheme that performs wave attenuation and advection. This is because a naive implementation of spatial and temporal discretizations can cause the waves to be over-attenuated, leading to a reduction of the predicted MIZ width by a substantial factor. Example simulations intended to represent conditions in the Fram Strait in 2007, which exploit reanalyzed wave and ice model data, are shown to conclude the results section. These compare favorably to estimates of MIZ width using concentrations obtained from remotely-sensed passive microwave images.

研究の動機と目的

• 運用型大規模海洋-氷モデルへの組み込みを目的とした波-氷相互作用のパラメータ化を開発すること。
• 異なる波励起力の表現方法と floe 破壊基準が MIZ 動態に与える影響を調査すること。
• 波減衰モデル、初期 floe サイズ分布（FSD）、海氷物性の選択に起因する MIZ 幅予測の感受性を評価すること。
• 数値スキームが波減衰および輸送に与える影響、特に過剰減衰を避ける観点から評価すること。
• 2007年フレーム・ストレートにおける実世界のシミュレーションを用いて、被動マイクロ波リモートセンシングデータ（AMSR-E、ブレーメン大学）と照合してモデルを検証すること。

提案手法

• 波エネルギーの全周波数スペクトルを考慮するため、統合スペクトル法（ISM）を用い、干渉効果を可能にする。
• Squire ら（2009）の減衰係数を用い、氷 floe 相互作用に起因する波エネルギー損失をモデル化する。
• Fox と Squire（1994）の弾性板モデルに基づく応力に起因するひずみベースの floe 破壊基準を採用する。
• 観測データに合わせて調整されたパラメータを有するスプリット・パワーロー法を用いて、floe サイズ分布（FSD）を表現する。
• 有限差分スキームを用いて波減衰および輸送を統合し、グリッド解像度および時間刻みの感受性をテストする。
• MIZ幅推定のため、被動マイクロ波リモートセンシングデータ（AMSR-E、ブレーメン大学）と照合して結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波減衰モデルの選択が予測される MIZ 幅に与える影響は？
• RQ2 波輸送および減衰のための異なる数値スキームが、モデルの精度および過剰減衰に与える影響は？
• RQ3 初期 FSD パラメータ化およびその時間的進化に対する MIZ 幅予測の感受性は？
• RQ4 波場の性質、氷濃度、厚さ、破壊ひずみの変動が MIZ 動態に与える影響は？
• RQ5 再解析波データおよび氷データを用いた場合、本モデルはフレーム・ストレートにおける観測 MIZ 幅をどの程度再現できるか？

主な発見

• 予測される MIZ 幅は波減衰モデルの選択に強く感受され、予測幅に最大2倍の差が生じる場合がある。
• 波輸送および減衰の直感的な数値実装は、深刻な過剰減衰を引き起こし、予測される MIZ 幅を顕著に減少させる。
• 初期 FSD の設定がモデルの結果に顕著な影響を与えるが、FSD パラメータ化自体の感受性は初期状態の感受性に比べて小さい。
• 氷濃度、厚さ、破壊ひずみの変化に伴い、MIZ 幅に体系的な変化が観察され、氷の力学的性質に強く依存することが示された。
• 2007年のフレーム・ストレートにおけるシミュレーションは、被動マイクロ波リモートセンシング（AMSR-E）から推定された MIZ 幅と良好に一致し、モデルの予測能力を裏付けた。
• 本モデルは、波-氷連携を大規模な海洋-氷フレームワークに初めて統合し、MIZ 動態の運用予測を可能にした。