[논문 리뷰] Towards the inclusion of wave-ice interactions in large-scale models for the Marginal Ice Zone

Timothy Williams, Luke G. Bennetts외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 13.

Arctic and Antarctic ice dynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 해빙이 파손되는 것과 해빙에 의한 파도 감쇠를 결합하는 마진 해빙 지구(MIZ)를 위한 파도-빙 상호작용 모델을 제시한다. 이는 대규모 운영용 해양-빙 모델에 통합될 수 있도록 한다. 모델은 MIZ 폭 예측이 파도 감쇠 모델, 수치적 방법, 빙의 특성에 매우 민감함을 보이며, 정확한 구현이 과도한 감쇠와 MIZ 폭의 과소예측을 방지하는 데 필수적임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 운영용 대규모 해양-빙 모델에 통합 가능한 파도-빙 상호작용의 파arameterization을 개발하기 위해.
• 다양한 파도 강제력 표현 방식과 빙판 파손 기준이 MIZ 동역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 파도 감쇠 모델, 초깃값 빙판 크기 분포(FSD), 해빙 특성의 선택에 따라 MIZ 폭 예측의 민감도를 평가하기 위해.
• 수치적 방법이 파도 감쇠와 이송에 미치는 영향, 특히 과도한 감쇠를 방지하기 위해 평가하기 위해.
• 2007년 프람 해협에서의 실제 시뮬레이션을 통해 위성 원격 감시 데이터와의 검증을 위해.

제안 방법

• 파동 에너지가 전체 주파수 스펙트럼에 걸쳐 고려될 수 있도록 통합 스펙트럼 방법(ISM)을 사용하여 간섭 효과를 반영한다.
• Squire 등(2009)의 감쇠 계수를 사용하여 빙판 상호작용으로 인한 파동 에너지 손실을 모델링한다.
• 파동 유도 응력에 기반한 변형 기반의 빙판 파손 기준을 사용하며, Fox와 Squire(1994)의 탄성판 모델을 활용한다.
• 빙판 크기 분포(FSD)에 대해 분할-거듭제곱 법칙 분포를 구현하며, 관측 데이터에 맞추어 매개변수를 조정한다.
• 유한차분 수치적 방법을 사용하여 파도 감쇠와 이송을 통합하며, 격자 해상도와 시간 간격에 대한 민감도 테스트를 실시한다.
• MIZ 폭 추정을 위한 수동 마이크로파 원격 감시 데이터(AMSR-E, 뮌스터 대학)와의 비교를 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파도 감쇠 모델의 선택이 예측된 MIZ 폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 파도 이송 및 감쇠에 대한 다양한 수치적 방법이 모델 정확도와 과도한 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 FSD 파arameterization과 그 진화에 따라 MIZ 폭 예측은 얼마나 민감한가?
• RQ4 파동장 특성, 빙의 농도, 두께, 파손 변형률의 변화가 MIZ 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 재분석된 파도 및 빙 데이터를 사용하여 모델이 프람 해협에서 관측된 MIZ 폭을 얼마나 잘 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 예측된 MIZ 폭은 파도 감쇠 모델의 선택에 매우 민감하며, 예측 폭의 차이가 최대 두 배까지 발생할 수 있다.
• 파도 이송 및 감쇠의 단순한 수치적 구현은 심각한 과도한 감쇠를 유발할 수 있으며, 이로 인해 예측된 MIZ 폭이 상당한 요소만큼 감소한다.
• 초기 FSD 설정은 모델 결과에 큰 영향을 미치지만, FSD 파arameterization 자체는 그 초기 상태만큼 민감하지 않다.
• 빙의 농도, 두께, 파손 변형률의 변화에 따라 MIZ 폭에 체계적인 변화가 관찰되어, 빙의 기계적 특성에 강하게 의존함을 시사한다.
• 2007년 프람 해협에 대한 시뮬레이션은 수동 마이크로파 원격 감시 데이터(AMSR-E)를 통해 추정된 MIZ 폭과 양호한 일치를 보이며, 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 이 모델은 처음으로 대규모 해양-빙 프레임워크에 파도-빙 결합을 통합하여 MIZ 동역학의 운영 예측을 가능하게 하였다.