Sea Ice Mechanics: from satellites to numerical models

Arktis opplever nå raske endringer som hovedsakelig skyldes global oppvarming. I løpet av det siste århundret er det observert en drastisk reduksjon av området som er dekket av arktisk havis om sommeren. Isens tykkelse er også redusert og eksporten av is gjennom Framstredet har økt. Disse endringene forstyrrer interaksjonen mellom hav og atmosfære og fører til endringer av det Arktiske klima. For å kunne forstå disse endringene, forutsi havisens tilstand i fremtiden, samt produsere kortsiktige havis prognoser, er det nødvendig med numeriske modeller som kan implementeres i realistiske omgivelser. Disse modellene er vanligvis satt sammen i et 3-lags system, hvor havis, sjø og atmosfære er fysisk kombinert. Flere studier har vist at dagens modeller ikke viser havisens dynamikk godt nok og heller ikke den observerte økning av havisens bevegelser gjennom de siste 30 år. De gir heller ikke et godt bilde av havisens sesongsyklus. Havisens dynamikk er veldig kompleks og har store likhetstrekk med platetektonikk og jordskjelvs dynamikk. Det at man har mislyktes med å representere denne dynamikken, kan være en av årsakene til at dagens modeller ikke klarer å reprodusere de siste endringene i Arktis. Dette problemet utgjør en av nåtidens største utfordringer for modellsamfunnet for Arktisk klima. Målet med dette prosjektet er å demonstrere gyldigheten av en helt ny modellerings metode for å gjengi dynamikken i den arktiske pakkisen. Modellen, som er inspirert av solid mekanikk, har blitt videreutviklet. Parallelt er en ny metode for å produsere høykvalitets deformasjon felt fra satellitt-data blitt foreslått. Vi har validert modellen mot satellitt observasjoner. Vi har forbedret numeriske ytelsen til gir en effektiv havis modell som kan brukes for prognoser og klimastudier. Modellen brukes nå av den operative havis prognosen platform (nextsim.nersc.no) og i mange andre prosjekt av havis modellgruppen ved Nansensenteret.

The Arctic region is currently experiencing rapid changes that are mainly driven by global warming. Over the last decade, we have observed a drastic shrinkage of the Arctic sea ice cover in summer accompanied by a spectacular thinning of mean thickness an d an increased export of sea ice through the Fram Strait. These changes perturb the interactions between the atmosphere and the ocean and modify the Arctic climate. To understand these changes, predict the state of the sea ice cover in the future and als o produce short-term sea ice forecasts, numerical models implemented in realistic settings are necessary. These models are usually taken to be a 3-layered system where the sea ice cover, the ocean below and the atmosphere above are physically coupled. Sev eral studies have reported that the current models poorly represent the sea ice dynamics, and in particular miss the observed acceleration of the sea ice motions over the last 30 years, as well as their seasonal cycle. Sea ice dynamics are very complex and show strong similarities with plate tectonics and earthquake dynamics. Failure to represent these dynamics partly explains why current coupled models do not reproduce the recent changes in the Arctic, and presents one of the main challenges faced toda y by the Arctic modelling community at large. The aim of this project is to demonstrate the validity of a completely new modelling approach to reproduce the dynamics of the Arctic ice pack. The model, which is inspired by solid mechanics, will be furthe r developed, implemented in a coupled model framework on a parallelized supercomputer, and validated against satellite observations. Thanks to the development and implementation of our new elasto-brittle rheology, a model will be capable of simulating the drift and deformation of sea ice using the appropriate physics for the first time.