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1、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,z1.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
2、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
3、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
4、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
5、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—0
6、6—27收稿,2006—08—24收修改稿*国家自然科学基金(批准号:40476005/D06和40233032)和科技部专项基金(批准号:2005DIB3J114)联合资助**E-mail:tangxueyuan@pric.gov.cn自.显科乎遗展第17卷第4期2007年4月481chts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
7、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
8、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EISMINT2基准下进行的严格测试一.1.1GLIMMER模式的数理基础模式采用浅冰近似.这一近似认为冰床和冰表面坡度很小,并忽略法向应力.水平剪切应力(r,r)近似为r一一Pg(S--G);r一-
