Physik des Meereismodells NAOSIM

Die sogenannten prognostischen Variablen (Zustandsvariablen des Modells, für die Vorhersagen berechnet werden) sind Meereis- und Schneedicke sowie die Meereiskonzentration. Die Meereisdrift ist hingegen eine diagnostisch berechnete Größe, wird also zu bestimmten Zeitpunkten aus den für den jeweiligen Zeitpunkt bereits berechneten prognostischen Variablen abgeleitet. Sie wird aus der Impulsbilanz bestimmt. [1]

Die Änderung der prognostischen Variablen Meereiskonzentration, Eisdicke und Schneehöhe erfolgt im Wesentlichen durch zwei Mechanismen:

1. Advektion
Die Advektion beschreibt den durch Meereisdrift verursachten Austausch von Meereis- und Schneevolumen zwischen benachbarten Regionen und sorgt so für eine Umverteilung der prognostischen Variablen Meereis-, Schneedicke und Eisvolumen. Die Bestimmung der Meereisdrift erfolgt über die Impulsgleichung.

2. Thermodynamik
Durch Gefrieren und Schmelzen verändern sich Eiskonzentration, Eisdicke und Schneehöhe. Dabei wird die thermodynamische Änderung durch die Energiebilanz des Meereises und der Schneeschicht bestimmt.

Das Modell besitzt die folgenden drei Komponenten:

  1. Die Bilanzgleichungen, welche die zeitliche Änderung des Eisbedeckungsgrades und der Eisdicke in Abhängigkeit der Prozesse Advektion, Gefrieren und Schmelzen beschreiben.
  2. Die zweidimensionale Impulsgleichung, welche die Eisdrift infolge der Schubspannung durch Wind und Ozeanströmung, der Corioliskraft, der internen Kräfte im Eis und der Hangabtriebskraft bei geneigter Meeresoberfläche bestimmt.
  3. Das Rheologiegesetz, das einen Zusammenhang zwischen dem Spannungstensor und dem Deformationsratentensor definiert, so dass die internen Kräfte als Divergenz des Spannungstensors bestimmt werden können.


Anders als Wasser im Ozean und Luft in der Atmosphäre ist Meereis kein  homogenes Fluid. Stattdessen werden verschiedene mit Meereis bedeckte Regionen durch sehr unterschiedliche Schollengrößen, Packeis und auch offenes Wasser zwischen oder auf Eisschollen charakterisiert. Diese heterogenen Eigenschaften stellen eine Herausforderung für die Modellierung dar. Die meisten Meereismodelle, die in Klimastudien verwendet werden, basieren daher auf der Annahme, dass Meereis ein quasi-kontinuierliches Fluid ist, dessen besondere Eigenschaften in der Eisrheologie beschrieben werden. Meereis wird dann als nicht-normales oder nicht-Newton‘sches Fluid bezeichnet. Damit ist unter anderem gemeint, dass sich Meereis anisotrop verhält, also je nachdem, ob es zusammengeschoben oder auseinandergezogen wird unterschiedlich reagiert. Die am weitesten verbreiteten Techniken, um die Bewegungsgleichungen für Meereis zu lösen, sind Visko-Plastische (VP) und Elastisch-Visko-Plastische (EVP) Ansätze. Das NAOSIM benützt einen Elastisch-Visko-Plastischen-Ansatz.



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[1] C. Köberle, C. und R. Gerdes, Mechanisms determining the variability of Arctic sea ice conditions, and export. J. Climate, 16, 2003, S. 2843-2858