CICE（海氷モデル）

CICE ( / s aɪ s / ) は、海氷の成長、融解、および移動をシミュレートするコンピュータモデルです。多くの結合気候システムモデルや全球海洋および天気予報モデルに統合されており、北極および南極海の研究のツールとしてよく使用されています。 ^{[1] [2] [3] [4] [ 5 ] [6] [7] [8] [9]} CICEの開発は、1990年代半ばに米国エネルギー省(DOE) によって開始され、現在はCICEコンソーシアムとして知られる北米およびヨーロッパの機関のグループによって維持および開発されています。^[10]地球システム科学で広く使用されているのは、海氷が地球表面のかなりの割合 (4-6%) を占めているため、地球の惑星アルベド、世界の海洋における全球熱塩循環の強さを決定する上での海氷の重要性、および大気循環モデルの表面境界条件の提供における海氷の重要性によるところが大きいです。^{[11] [12]} CICEは氷圏モデルの一種である。

CICEの開発は、1994年にロスアラモス国立研究所（LANL）のエリザベス・ハンケによって開始されました。^{[12] [15]}モデル内で弾性-粘性-塑性（EVP）海氷レオロジーの開発に続いて1998年に最初にリリースされて以来、 ^[16]モデルのユーザーと開発者の国際的なコミュニティによって大幅に開発されてきました。 1998年から2005年の間に、エンタルピー保存熱力学と海氷の厚さ 分布の改良がモデルに追加されました。 ^{[17] [18] [19]} LANL以外で最初の機関ユーザーは1990年代後半の海軍大学院でした^[15]。その後、2011年に地域北極システムモデル（RASM）に組み込まれました。^{[20] [21]} 国立大気研究センター（NCAR）は、2002年にCICEを全球気候モデルに組み込んだ最初の機関であり、 ^[22] NCARコミュニティ地球システムモデル（CESM）の開発者はCICEの革新に貢献し続けており^{[23] [24] [25]}、地球の気候システムにおける極の変動を調査するためにそれを使用しています。^[13]米国海軍は2000年直後から極地研究と海氷予報にCICEを使い始め、現在も使用しています。^{[3] [26]} 2000年以降、CICEの開発や気象・気候予測のための海洋・大気モデルとの連携は、レディング大学、^[27] ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン、^[28]英国気象庁ハドレーセンター、^[29] カナダ環境・気候変動省、^[7]デンマーク気象研究所、^[4]連邦科学産業研究機構、^[30]北京師範大学、^[8]などの機関で行われてきました。CICEユーザーの世界的なコミュニティでのモデル開発の結果、モデルのコンピュータコードには現在、包括的な塩水氷物理および生物地球化学ライブラリが含まれており、マッシー層熱力学、[ 31 ^{] [32]}異方性連続体力学、^[33]デルタ-エディントン放射伝達^[34]、 メルトポンド物理学^{[35] [36]}、陸地定着氷^[37 ] 。CICE バージョン6はオープンソースソフトウェアであり、2018年にGitHubでリリースされました。^[38]

CICE の数値手法を使用して解かれる 2 つの主要な物理方程式は、海氷の厚さ、濃度、速度に関するモデルの予測の基礎となるほか、ここでは示されていない、表面アルベド、氷の塩分、積雪、発散、生物地球化学的循環などを示す多くの方程式による予測の基礎にもなります。最初のキーストーン方程式は、海氷に関する ニュートンの第 2 法則です。

${\displaystyle m{\frac {d\mathbf {u} }{dt}}=-mf\mathrm {k} \times \mathbf {u} +\tau _{a}+\tau _{w}-m\mathrm {\hat {g}} \nabla \mu +\nabla \cdot \mathbf {\sigma } }$

ここで、は海面上の塩水氷の単位面積あたりの質量、は氷の漂流速度、はコリオリのパラメータ、は海面に対して垂直な上向きの単位ベクトル、はそれぞれ氷にかかる風と水の応力、は重力による加速度、は海面の高さ、は氷内の2次元応力テンソルです。^[16] 各項には、氷の厚さ、粗さ、濃度、および大気と海洋の境界層の状態に関する情報が必要です。単位面積あたりの氷の質量は、 CICEの2番目のキーストーン方程式を使用して決定されます。この方程式は、海氷の速度が上で計算された領域の異なる厚さの広がりに対する海氷の厚さの分布の変化を記述します。^[18]${\displaystyle m}$${\displaystyle \mathbf {u} }$${\displaystyle f}$${\displaystyle \mathrm {k} }$${\displaystyle \tau _{a}}$${\displaystyle \tau _{w}}$${\displaystyle \mathrm {\hat {g}} }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$${\displaystyle m}$${\displaystyle g(h)}$${\displaystyle h}$

${\displaystyle {\frac {dg}{dt}}=\theta +\psi -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )}$

ここで、は熱力学的成長と融解による厚さ分布の変化、は海氷力学による再分布関数で、内部氷応力と関連しており、ラグランジュ基準系における海氷の移流を記述する。^{[18] [19]}このことから、氷の質量は次のように表される。 ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \psi }$${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$${\displaystyle -g(\nabla \cdot \mathbf {u} )}$

${\displaystyle m=\rho \int _{0}^{\infty }h\,g(h)\,dh}$

海氷の密度 について^[38]${\displaystyle \rho }$

CICEバージョン6はFORTRAN90でコード化されています。これは、動的コア（dycore）と、GitHubでCICEサブモジュールとして管理されているIcepackと呼ばれる別の列物理パッケージで構成されています。 ^[39]前述の運動量方程式と厚さの移流は、動的コア内の四辺形の Arakawa Bグリッド上で時間ステップで実行されます。一方、Icepackは、 上で定義した、、、、、を計算するために必要な項を含む、放射物理学、水文学、熱力学、および垂直生物地球化学を計算するために必要な診断方程式 と 予測方程式を解きます。このページの最初の図のように、CICEは独立して実行できますが、NCARのCESMフラックス カップラー^[22]などの外部フラックスカップラーを介して地球システムモデルと結合されることが多く、その結果はCESM Large Ensembleの2番目の図に示されています。列物理はIcepackバージョン6のリリースで分離され、新しいDOEエネルギーエクサスケール地球システムモデル（E3SM）^{[38] [40]}を含む独自の海氷動的コアを使用する地球システムモデルへの挿入が可能になりました。E3SMは、最終図に示すように、スケール間予測モデル（MPAS）^{[41] [42]}の海氷コンポーネントで非構造化グリッドを使用しています。 ${\displaystyle \tau _{a}}$${\displaystyle \tau _{w}}$${\displaystyle \mathbf {\sigma } }$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \psi }$

• 海氷
• 海氷微生物群集
• 海氷放射率モデリング
• 海氷の成長プロセス
• 海氷密度
• 海氷の厚さ
• 海氷物理と生態系実験
• 北極海
• 南極海
• 気候モデル
• 天気予報
• 北極海航路
• 北西航路
• 南極大陸

• CICE コンソーシアム GitHub 情報ページ
• 海氷開発のためのCICEコンソーシアムモデル
• 氷床: 海氷モデルに不可欠な物理学
• CICE コンソーシアムによるコミュニティ主導の海氷モデリング (Witness the Arctic)
• NOAA プレスリリース
• 海の奥深く
• パシフィックスタンダード
• phys.org: 北極の氷モデルのアップグレードは極地研究、産業、軍事に利益をもたらす
• 海氷: 凍った水だけではない (サンタフェ・ニューメキシカン)
• エネルギーエクサスケール地球システムモデル (E3SM)
• コミュニティ地球システムモデル (CESM)