南极冰盖GLIMMER模式试验及其对二维冰流情形的模型简化.docVIP

南极冰盖GLIMMER模式试验及其对二维冰流情形的模型简化 480自.驻科荸遗展第17卷第4期2007年4月 南极冰盖GLIMMER模式试验及其 对二维冰流情形的模型简化* 唐学远张占海孙波李院生李娜王帮兵,张向培,z 1.中国极地研究中心,上海200136;2.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026 摘要对南极冰盖三维有限差分动力热力学耦合模式一GLIMMER模式作了一个简要的介绍, 并在EISMINT一1标准下作了一个理想冰盖数值试验,给出了冰盖处于稳定状态下的各种演化特征 曲线.在此基础上将该模式从三维情形简化为二维冰流情形,对差分方法及坐标系提出了改进意 见,在耦合温度场条件下模拟了二维冰流的演化,结果表明反映冰盖质量,动量,能量平衡的各种 特征曲线与在GIIMMER模式模拟出的冰盖断面结果相一致,并且与理论结果也吻合.讨论了简 化后的二维冰流模式在模拟DomeA地区年代一深度一古积累率关系的应用前景. 关键词南极冰盖GLIMMER模式数值模拟二维冰流 据估计,现在的南极冰盖占整个全球冰量的 90,这足以使海平面上升65m以上.因此即使南 极冰盖发生微弱的变化也将对全球环境产生深刻的 影响.一个例证是:南极冰盖每年与海洋交换的水 量估计相当于全球海平面波动6mmL1],这个输入量 和飘浮在海上的冰架每年的消融量大致相当.实际 上,南极冰盖现在的行为可能是其过去历史的必然 结果,特别是这些变化是与末次间冰期旋回紧密相 关的.不难理解,南极冰盖的未来走向在受过去气 候变化影响的同时也与现在的气候变化紧密相连. 因此要切实评估南极冰盖的未来变化,将冰盖的长 期演化趋势背景从导致气候变化的人为因素中区分 出来就显得尤为重要.通过数值模拟方式揭示冰盖 的各种物理过程已经成为研究冰盖演化历史和未来 变化的重要手段.数值模拟方法的优势在于它既能 克服观测在时间和空间方面的限制又能生成整个冰 盖的各种动力热力学信息,显示观测不能直接得到 的冰盖内部和底部的物理过程以及揭示冰盖在历史 上的演化状态.实际上,数值模拟方法可能是解释 并预测未来冰盖变化状况的惟一可行方式L2]. 过去20年,人们发展出了许多模拟冰盖行为 的数学模型,例如估算冰盖年代演变的一维冰流模 型Nye-Dansgaard-Johnsen模型L;Oerlemans[.] 和Budd等L1叩建立的耦合地壳均衡并附加有简单冰 架结构的垂向积分平面模式;大尺度上模拟南极冰 盖行为则最早由Budd等在1971年提出,这一模式 建立在冰盖处于稳定状态并且冰流总是沿着地势低 处流动的假设上[1;为进一步了解南极冰盖对气候 的反馈机制,考虑耦合冰温度场的三维冰盖动力热 力学冰盖模式是一有效途径,这方面影响比较大的 模式包括Huybrechts和Oerlemans发展的冰盖模 式L3],这一模式通过Huybrechts等的发展后[1, 目前已经比较成熟,利用该模式已经得到了一些具 体的模拟结果,其中就包括通过模拟发现目前控制 海平面上升的最重要因素是西南极冰盖,西南极冰 盖一旦全部消融将会使海平面上升7m,而南极冰 盖完全融化将使海平面上升73m[4..197;在EIS— MINT(欧洲冰盖数值模拟初步)框架下,Huyber一 2006—06—27收稿,2006—08—24收修改稿 *国家自然科学基金(批准号D06和科技部专项基金(批准号:2005DIB3J114)联合资助 **E-mail:tangxueyuan@ 自.显科乎遗展第17卷第4期2007年4月481 chts模式经过了1999年和2002年的两次修正,现 在它已经成为南极冰盖三维动力热力学标准耦合模 式GUMMER的组成部分l_】... GLIMMER模式是一个日趋完备的南极冰盖标 准模式,它源于TonyPayne在研究GENIE地球系 统模式时对南极陆冰部分模拟的工作.本文通 过GLIMMER这一三维有限差分冰盖模式做了一个 理想试验,以了解冰盖的冰流动力热力学特征,同 时将这一复杂的非线性耦合模式简化为一个二维的 冰流模型.目标是希望找到一个可以模拟东南极 DomeA地区各种动力热力学特征曲线的数学模型, 以探讨该模型对于模拟DomeA地区深度一年代一古 积累率的可行性. 1GLIMMER模式和EISMINT-1试验 GLIMMER冰盖模式实际上是一个用来模拟冰 盖演化的程序库集,可以单独运行,也可作为地球 系统模式(ESM)的一个子模块.建立该模式的目标 是要生成一个可供其他地球系统模式调用的标准冰 盖模式.截至2006年,该模式已经通过了由 M.Hagdorn研究小组在EISMINT1和EISMINT 2基准下进行的严格测试一. 1.1GLIMMER模式的数理基