Un Sistema di Modellazione e Assimilazione del Ghiaccio-Oceano Pan-Artico (PIOMAS) viene utilizzato per questo progetto. PIOMAS è un modello accoppiato di Oceano e Ghiaccio Marittimo Parallelo (POIM, Zhang e Rothrock 2003) con capacità di assimilazione di dati di concentrazione e velocità del ghiaccio. È formulato in un sistema di coordinate curvilinee ortogonali generalizzate (GOCC) ed è progettato per funzionare su computer con un singolo processore o su processori massicciamente paralleli. PIOMAS accoppia il Programma Oceano Parallelo (POP) con un modello di ghiaccio marino di distribuzione di spessore e entalpia (TED). Il modello POP è sviluppato presso il Los Alamos National Laboratory.
Il modello di ghiaccio marino TED è un modello termodinamico dinamico che simula anche esplicitamente il rigonfiamento del ghiaccio marino. Il modello si basa sulla teoria della distribuzione dello spessore del ghiaccio marino a scala sub-grid di Thorndike et al. (1975), arricchita dalla teoria della distribuzione dell’entalpia del ghiaccio a scala sub-grid (Zhang e Rothrock, 2001). Comprende 12 categorie sub-grid per lo spessore del ghiaccio, l’entalpia del ghiaccio e la neve. Questo modello TED multicategoria si compone di sette componenti principali: una reologia del ghiaccio viscoso-plastico a forma di lacrima di Zhang e Rothrock (2005) che determina la relazione tra lo stress interno del ghiaccio e la sua deformazione (Hibler 1979), una funzione di ridistribuzione meccanica che determina il rigonfiamento del ghiaccio (Thorndike et al. 1975; Rothrock, 1975; Hibler, 1980), un’equazione del momento che determina il movimento del ghiaccio, un’equazione del calore che determina la crescita/decadenza e la temperatura del ghiaccio, un’equazione di distribuzione dello spessore del ghiaccio che conserva la massa del ghiaccio (Thorndike et al. 1975; Hibler, 1980), un’equazione di distribuzione dell’entalpia del ghiaccio che conserva l’energia termica del ghiaccio (Zhang e Rothrock, 2001), e un’equazione di distribuzione dello spessore della neve che conserva la massa della neve (Flato e Hibler, 1995). L’equazione del momento del ghiaccio è risolta usando il modello di dinamica del ghiaccio di Zhang e Hibler (1997), che impiega una tecnica di rilassamento successivo lineare con un risolutore di matrici tridiagonali, utile per il calcolo parallelo (Zhang e Rothrock, 2003). L’equazione del calore è risolta per ciascuna categoria di spessore del ghiaccio usando un modello termodinamico a tre strati modificato (Winton, 2000). L’ultima versione di PIOMAS è capace di simulare una distribuzione della dimensione dei fiocchi di ghiaccio marino a 12 categorie sub-grid (Zhang et al., 2015, 2016) e la distribuzione delle pozze di fusione (Zhang et al., 2018). La configurazione della griglia a differenze finite di PIOMAS è mostrata di seguito. La griglia del modello è una griglia GOCC estesa con il polo nord della griglia spostato in Groenlandia. Ciò consente al modello di avere la sua risoluzione più alta nel Mare di Groenlandia, nella Baia di Baffin e nell’Arcipelago Canadese Orientale. Questo permette al modello di avere una buona connessione tra l’Oceano Artico e l’Oceano Atlantico tramite il Mare di Groenlandia-Islanda-Norvegia (GIN) e il Mare del Labrador. La risoluzione orizzontale media è di 22 km per il Mare Artico, il Mare di Barents, e i mari GIN e la Baia di Baffin. Il modello è annidato in un modo unidirezionale a un POIM globale (GIOMAS) imponendo condizioni al contorno aperte lungo i confini meridionali (~43°N). I dati di output mensili da GIOMAS sono utilizzati per le condizioni al contorno aperte. Il modello è guidato dai dati di rianalisi NCEP/NCAR. Ulteriori informazioni su PIOMAS e le ultime analisi sono disponibili su https://psc.apl.uw.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/. L’output del ghiaccio marino di PIOMAS è stato ampiamente utilizzato.
Il modello di ghiaccio marino TED è un modello termodinamico dinamico che simula anche esplicitamente il rigonfiamento del ghiaccio marino. Il modello si basa sulla teoria della distribuzione dello spessore del ghiaccio marino a scala sub-grid di Thorndike et al. (1975), arricchita dalla teoria della distribuzione dell’entalpia del ghiaccio a scala sub-grid (Zhang e Rothrock, 2001). Comprende 12 categorie sub-grid per lo spessore del ghiaccio, l’entalpia del ghiaccio e la neve. Questo modello TED multicategoria si compone di sette componenti principali: una reologia del ghiaccio viscoso-plastico a forma di lacrima di Zhang e Rothrock (2005) che determina la relazione tra lo stress interno del ghiaccio e la sua deformazione (Hibler 1979), una funzione di ridistribuzione meccanica che determina il rigonfiamento del ghiaccio (Thorndike et al. 1975; Rothrock, 1975; Hibler, 1980), un’equazione del momento che determina il movimento del ghiaccio, un’equazione del calore che determina la crescita/decadenza e la temperatura del ghiaccio, un’equazione di distribuzione dello spessore del ghiaccio che conserva la massa del ghiaccio (Thorndike et al. 1975; Hibler, 1980), un’equazione di distribuzione dell’entalpia del ghiaccio che conserva l’energia termica del ghiaccio (Zhang e Rothrock, 2001), e un’equazione di distribuzione dello spessore della neve che conserva la massa della neve (Flato e Hibler, 1995). L’equazione del momento del ghiaccio è risolta usando il modello di dinamica del ghiaccio di Zhang e Hibler (1997), che impiega una tecnica di rilassamento successivo lineare con un risolutore di matrici tridiagonali, utile per il calcolo parallelo (Zhang e Rothrock, 2003). L’equazione del calore è risolta per ciascuna categoria di spessore del ghiaccio usando un modello termodinamico a tre strati modificato (Winton, 2000). L’ultima versione di PIOMAS è capace di simulare una distribuzione della dimensione dei fiocchi di ghiaccio marino a 12 categorie sub-grid (Zhang et al., 2015, 2016) e la distribuzione delle pozze di fusione (Zhang et al., 2018). La configurazione della griglia a differenze finite di PIOMAS è mostrata di seguito. La griglia del modello è una griglia GOCC estesa con il polo nord della griglia spostato in Groenlandia. Ciò consente al modello di avere la sua risoluzione più alta nel Mare di Groenlandia, nella Baia di Baffin e nell’Arcipelago Canadese Orientale. Questo permette al modello di avere una buona connessione tra l’Oceano Artico e l’Oceano Atlantico tramite il Mare di Groenlandia-Islanda-Norvegia (GIN) e il Mare del Labrador. La risoluzione orizzontale media è di 22 km per il Mare Artico, il Mare di Barents, e i mari GIN e la Baia di Baffin. Il modello è annidato in un modo unidirezionale a un POIM globale (GIOMAS) imponendo condizioni al contorno aperte lungo i confini meridionali (~43°N). I dati di output mensili da GIOMAS sono utilizzati per le condizioni al contorno aperte. Il modello è guidato dai dati di rianalisi NCEP/NCAR. Ulteriori informazioni su PIOMAS e le ultime analisi sono disponibili su https://psc.apl.uw.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/. L’output del ghiaccio marino di PIOMAS è stato ampiamente utilizzato.