Dissertation (1996)

PhD Thesis (1996)

Dynamik, Rauhigkeit und Alter des Meereises in der Arktis - Numerische Untersuchungen mit einem großskaligen Modell

Dynamics, roughness, and age of Arctic sea ice - Numerical investigations with a large-scale model

Zusammenfassung

Meereis spielt für die Austauschprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre und damit für die globale Zirkulation im Klimasystem eine wichtige Rolle. Daher muß für Klimamodelle, die zur Untersuchung heutiger, vergangener und möglicher künftiger Klimazustände eingesetzt werden, eine möglichst realistische Beschreibung des Meereises gefunden werden. Gegenstand dieser Dissertation ist eine wesentliche Erweiterung bisheriger Meereismodelle: Die Rauhigkeit und das Alter des Eises werden als prognostische Modellvariablen eingeführt, die im Vergleich mit Beobachtungen zwei zusätzliche Größen darstellen, anhand derer die physikalischen Modelle verifiziert werden können. Das erweiterte physikalische Modell wird in einer numerischen Simulation für die Arktis über den siebenjährigen Zeitraum 1986-1992 angewendet und liefert realistische Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit den vorliegenden Beobachtungen.

1. Die Einleitung im ersten Kapitel zeigt die Rolle des Meereises im Klimasystem, Stand und Probleme ihrer gegenwärtigen Berücksichtigung in Klimamodellen und die Möglichkeiten, mit zusätzlichen beobachtbaren Größen die physikalischen Modelle besser zu verifizieren.
2. Das zweite Kapitel stellt die Physik des Meereismodells hinsichtlich der Standardvariablen Eisdicke, -ausdehnung und -drift dar, die den Ausgangspunkt für die Beschreibung zusätzlicher Größen bildet.
3. Ein optimiertes nichtlinear-viskoses Modell der internen Kräfte im Eis wird im dritten Kapitel vorgestellt. Der in den bislang verwendeten Modellen (Hibler, 1979) auftretende sprunghafte Übergang zwischen linear-viskosem und plastischem Verhalten des Meereises wird durch Einführung einer Regimefunktion, die einen kontinuierlichen Übergang beschreibt, vermieden.
4. Die zeitabhängigen Randbedingungen des Modells, basierend auf einem siebenjährigen atmosphärischen Antriebsfeld, sowie die numerische Umsetzung der physikalischen Gleichungen werden im vierten Kapitel gezeigt.
5. Die im fünften Kapitel dargestellten Simulationsprognosen für die Standardvariablen belegen, daß in dem Ausgangsmodell Eisdicke, -ausdehnung und drift realistisch vorhergesagt werden. Durch Untersuchung der einzelnen Terme in der Impulsbilanz für das Eis wird gezeigt, welche Terme vernachlässigt werden können, wodurch eine wesentlich einfachere Berücksichtigung des Meereises in Klimamodellen möglich wird.
6. Das sechste Kapitel beschreibt ein neues Modell zur großskaligen Simulation der Eisrauhigkeit und zeigt an den Simulationsergebnissen, daß ein ausgeprägtes räumliches Verteilungsmuster in guter Übereinstimmung mit Meßdaten prognostiziert wird. Mit der Eisrauhigkeit steht somit eine zusätzliche Größe zur Eichung des Modells an Beobachtungen zur Verfügung.
7. Ein ebenfalls neuer Ansatz ist die im siebten Kapitel dargestellte Simulation des Eisalters. Auch hier kann eine deutliche räumliche Struktur in der Verteilung des simulierten Eisalters festgestellt werden, die gut mit Satellitenbeobachtungen übereinstimmt. Neben der Eisrauhigkeit ist das Eisalter eine weitere Modellvariable, die zur Modellverifikation anhand von Messungen geeignet ist.
8. Die Variabilität des Meereistransports durch die Framstraße in die Grönlandsee wird im achten Kapitel untersucht. Die Modellprognosen dieses für das Klimasystem wichtigen Transports sind insbesondere deshalb wertvoll, weil bislang keine kontinuierlichen, langjährigen Messungen dafür vorliegen. Die Simulation über sieben verschiedene Jahre zeigt, daß das stark fluktuierende Windfeld eine hohe interannuale Variabilität des Meereistransports erzeugt, die erhebliche Variationen in der ozeanischen Zirkulation bewirken kann. In diesem Modellergebnis wird der enge Zusammenhang der Klimakomponenten Atmosphäre-Meereis-Ozean deutlich.
9. Das neunte Kapitel zieht ein Fazit und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Berücksichtigung des Meereises in globalen Klimamodellen.

Summary

Sea ice strongly affects the interactions between ocean and atmosphere in polar regions, and is thereby important for the global circulation in the climate system. A realistic description of sea ice must be found for its representation in climate models for investigations of previous, actual, and possible future states of the climate. This ph. D. thesis describes two essential extensions of actual sea ice models: The roughness and the age of sea ice are introduced as two additional model variables that can be used to verify the physical sea ice model with an extended set of observations. This extended model is integrated for the 7-year period 1986-1992 and yields realistic results in good agreement with the measurements.

1. The introduction in the first chapter explains the role of sea ice in the climate system, its representation in climate models, and new options to verify the physical models by comparisons with observed quantities.
2. The second chapter describes the standard sea ice model, which is the starting point for the introduction of additional variables.
3. An optimized non-linear viscous model of the internal forces in sea ice is presented in the third chapter. With this regime-function model, the step-like distinction between linear-viscous and plastic behaviour of sea ice rheology (Hibler, 1979) is replaced by a smooth, continuous transition between both regimes.
4. Chapter four shows the time-dependend boundary conditions, based on a seven-year atmospheric forcing field, and the numerical implementation of the physical model.
5. In chapter five, the simulation results concerning the standard prognostic variables (ice thickness, areal coverage, drift) are presented. They show good agreement with the observations available. An investigation of the various terms of the momentum equation of sea ice indicates those terms that are negligible. This allows a significantly simplified representation of sea ice in climate models.
6. A new model of large-scale sea ice roughness is presented in the sixth chapter. The simulated spatial pattern of sea ice roughness is in good agreement with the observations. This qualifies the sea ice roughness as an additional variable to verify the model with observed quantities.
7. Another new approach is the simulated age of sea ice described in the seventh chapter. Distinct spatial variations in good agreement with satelliteborne SSM/I-observations are found. In addition to sea ice roughness, the age of sea ice is another new variable suitable for model verifications based on observations.
8. The variability of sea ice transport through Fram Strait is investigated in the eighth chapter. The model prognoses are especially valuable because no long-term measurements of this transport are actually available. A simulation for a seven-year period shows that the strong fluctuations in the wind field cause a high interannual variability of the sea ice export from the Arctic into the Greenland Sea, which is identified as a possible cause of variations and anomalies of the oceanic circulation in the North Atlantic, one of the most important regions in the global climate system. This simulation results show the strong coupling mechanisms between atmosphere, cryosphere, and ocean.
9. The ninth chapter summarizes the results and gives an outlook on the future representation of sea ice in climate models.