Arctic sea ice dynamics [Elektronische Ressource] : drift and ridging in numerical models and observations = Arktische Meereisdynamik / Torge Martin

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• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 33
• Langue: English
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ArcticSeaIceDynamics: DriftandRidgingin
NumericalModelsandObservations
ArktischeMeereisdynamik: DriftundPresseis
ruc¨ kenbildunginnumerischenModellenund
Beobachtungsdaten
TorgeMartin∗Thislogowascreatedbytheauthorforthe’openship’dayofRVPolarsterninJune2005.
TorgeMartin
Alfred Wegener Institutf ur¨ Polar-undMeeresforschung
Postfach120161
27515Bremerhaven
Germany
This manuscript is an unmodified version as regards content of a dissertation
(’Dr. rer. nat.’) acceptedbytheFacultyofPhysics/ElectricalEngineeringofthe
University of Bremen in 2007. A pdf file of this document is available online:
http://elib.suub.uni-bremen.de/.
¨Die vorliegende Arbeit ist die inhaltlich unveranderte Fassung einer 2007 im
FachbereichI(Physik/Elektrotechnik)derUniversitat¨ Bremenangenommenen
Dissertation(’Dr. rer. nat.’) undistimpdf FormatunterfolgenderAdresseon
¨lineverfugbar: http://elib.suub.uni-bremen.de/.Contents
Abstract v
Zusammenfassung vii
1 Introduction 1
1.1 TheArctic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Seaiceingeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Afirstviewonridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Thenatureofdeformedseaice . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.2 Techniquesofridgemeasurements . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 Ridginginaseaicemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Motivationandaimsofthisstudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
I FoundationsforPressureRidgeModelling
or: Thediscoveryofslowness 27
2 Alarge scaleseaicemodel 29
2.1 Prognosticvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Dynamics,kinematicsandrheology . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Leadopeningandland fasticeschemes . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Forcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 Modeldomainandnumerics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3 Validationofmodelledseaicedriftestimates 47
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Observationaldatasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Modeldatasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
iContents
3.3.1 TheAOMIPwindforcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.2 Forcingofadditionalmodelexperiments . . . . . . . . . . 53
3.4 Generaldifferencesofdriftvelocities . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Twocasestudiesofdifferentdriftpatterns . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Wind drivendriftregimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Thewinter1994/95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Possiblereasonsofdeviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.1 Windforcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2 Ice oceanstress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.3 Differentresponsesinthemodels. . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6.4 Significanceofdriftregimesinmodelcomparison . . . . . 69
3.7 ImplicationsforFramStraitseaiceexport . . . . . . . . . . . . . . 70
3.7.1 Comparisonofobservedandmodelledtransports . . . . . 71
3.7.2 Causesofexportvariability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
II ObservationsofPressureRidges
or: Bothsidesofthestory 85
4 AirborneLaserandElectromagneticMeasurements 87
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Instrumentationanddataprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.1 Freeboardderivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.2 Ridgedetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 Differencesofsailandkeeldetection . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.4 Derivationoflevelicethickness . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Averageridgedistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 Regionalcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.2 Sailandkeelfrequencydistributions . . . . . . . . . . . . . 101
4.4 Relationsofsailsandkeels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5 Thedependenceofsailheightontheparenticethickness . . . . . 110
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
III NumericalModellingofPressureRidges
or: Fromthesmallscaletothelargescale 115
5 Principlesofdeformationschemesinnumericalseaicemodels 117
5.1 Statesofmotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2 Deficitsofatwo dimensionalseaicecover . . . . . . . . . . . . . 120
5.3 Anapproximationforseaicedeformation . . . . . . . . . . . . . . 121
iiContents
5.4 Theβ function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5 Rafting: anintermediatestateofdeformation . . . . . . . . . . . . 128
6 Threeapproachestoridgemodelling 130
6.1 Deformationenergybasedridging(RA1) . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2 Redistributionofdeformedice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 Stochasticmodelderivedridging(RA2) . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4 Prognosticderivationofridgequantities(RA3) . . . . . . . . . . . 138
6.5 Descriptionsofridgeablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7 Idealisedexperimentsandsensitivitystudies 143
7.1 Experimentalset up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.1.1 Modelgridandtopography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.1.2 Initialiceconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.1.3 Windforcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2 Resultsofexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.2.1 Amovingcyclone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.2.2 Variedinitialiceconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2.3 Transitionoficeregimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.4 Topographicfeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.4 Summaryandconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8 RidgemodellingwithrealisticArcticconditions 164
8.1 Modelset upfortheArcticOcean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8.2 Intercomparisonofridgemodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.2.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.2.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.3 Comparisonofmodelresultswithobservations . . . . . . . . . . . 171
8.3.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4 Summaryofridgemodelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9 Overallconclusionsandoutlook 183
A A1 Dstochasticridgedistributionmodel 189
B Onstatisticaldistributions 194
B.1 Thelog normaldistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
B.2 Theexponentialdistr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
B.3 Densityanddistributionfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
iiiContents
C Oninvariantsofthestrainratetensor 198
C.1 Derivationandmeaningoftheinvariants . . . . . . . . . . . . . . 198
C.2 Representationindifferentcoordinates . . . . . . . . . . . . . . . 199
ListofAcronyms 205
ListofVariables 207
ListofFigures 209
ListofTables 210
Bibliography 210
Acknowledgements 228
ivAbstract
TheArcticseaicecoverisconstantlyinmotiondrivenbythewindandocean
currents. Thetransportoffreshwaterandlatentheatisassociatedwiththeice
drift.Furthermore,thedriftcausesdeformationoftheseaicecoverundercom
pressive and shear forces and pressure ridges form. Ridges in turn affect the
momentum and—to a minor degree—the heat exchange between sea ice and
atmosphereandoceanbecausetheystronglyincreasethelocalsurfacerough
ness and thickness of the ice. Therefore, the sea ice drift and deformation in
teractwiththeclimatesystemanditschanges, anditisakeyissuetoboththe
remote sensing and modelling community to provide products of good qual
ity. Thepresentthesissplitsintothreeparts: astudyofmodelledandobserved
driftestimates,ananalysisofseaiceridgequantitiesderivedfromlaseraltime
terandairborneelectromagneticmeasurementsandaninvestigationofdiffer-
entnumericalalgorithmsfortherepresentationofridgesinalarge scaleseaice
model.
The study of sea ice drift focuses on the comparison of different sea ice
oceancoupledmodelsandthevalidationwithbuoyandremote sensingdataof
theperiod1979–2001onthebasisofmonthlyaverages.Accordingtodriftspeed
distributionsthegroupofmodels, whichmatchesbesttheobservations, hasa
−1modeatdriftspeedsaround0.03ms andashorttailtowardshigherspeeds.
However, there are also models with much larger drift speeds. In general, all
modelsarecapableofproducingrealisti