neXtWIM: Waves in a next-generation sea ice model

Med økende temperaturer over hele verden opplever Arktis raske endringer i forhold til sjøis. Spesielt har havisens utstrekning opplevd flere minimumsrekorder det siste tiåret, og produsert mer åpent vann i det arktiske hav, og følgelig flere bølger. Samtidig søker mange næringer - som turisme, fiskeri, skipsfart og olje- og gassindustrien, både i Norge og andre land - å utnytte det reduserte isdekket for å utvide sine operasjoner. Ulykker i Arktis kan imidlertid ha enorme (og uforutsigbare) konsekvenser for miljøet, menneskeliv, økonomien og samfunnet generelt. Farene ved å operere i Arktis ble eksemplifisert ved grunnstøtningen av Northguider-fiskefartøyet i Hinlopen-stredet (Svalbard) i desember 2018. I denne hendelsen måtte mannskapet med 14 medlemmer evakueres av den norske kystvakten og fartøyets 300 000 L diesel måtte tappes, antagelig med betydelig kostnad. I dette prosjektet har vi satt opp et varslingsystem (neXtSIM-F, basert på den <>, neXtSIM) for å gi informasjon om havisforholdene i Arktis. Dette kan både forhindre slike ulykker og hjelpe responsteam hvis de skulle inntreffe. Dette varslingsystemet gir realistiske varslinger om sjøisdrift, konsentrasjon, tykkelse og utbredelse av is. Å bygge dette varslingsystemet innebar en betydelig mengde arbeid fra alle medlemmer (tidligere og nåværende) av Sea Ice Modeling-gruppen ved NERSC. Først måtte ytelsen til modellen forbedres ved å oversette desktop-applikasjonen kodet i Matlab til C++. Ytelsen ble ytterligere forbedret ved å parallelisere koden (Samaké et al, 2017). Videre måtte flere nye fysiske og diagnostiske komponenter av modellen utvikles. En bølger-i-is-komponent ble også implementert i neXtSIM og ble brukt i en studie av effekten av pådrag fra bølgestrålingen og den potensielle effekten av oppbryning av sjøis på grunn av bølger på havisens dynamikk. I en idealisert studie uten termodynamiske effekter fant vi at vindeffekter dominerte bølgene samlet sett, siden vinden virket over et større område, mens bølgene hadde mest påvirkning ved iskanten (Williams et al, 2017). Imidlertid må denne konklusjonen fortsatt testes i en mer realistisk setting. Dessverre viste denne bølge-ismodulen seg å være for kostbar til å kjøre, og vi klarte ikke å implementere den fullt ut i den parallelliserte versjonen av modellen. Vi prøvde derfor en annen tilnærming der neXtSIM er blitt koblet til bølgemodellen Wavewatch III (WW3) gjennom koblingen OASIS. Siden WW3 allerede kjører parallelt, har dette gjort det mulig å gjøre simuleringer for hele Arktis i en romlig oppløsning på omtrent 12 km. Disse simuleringene indikerer at det er en viss effekt på sjøisens drift og tykkelse i områder som er isen er ødelagt av bølger (Boutin et al, i prep). Referanser: Boutin, G., T. D. Williams, P. Rampal, E. Ólason & C. Lique, in prep. Wave-ice interactions in a brittle sea ice rheological framework. Samaké, A., P. Rampal, S. Bouillon, and E. Ólason, 2017. Parallel implementation of a Lagrangian-based model on an adaptive mesh in C++: Application to sea-ice. J. Comp. Phys., 2017, 350, 84-96. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.08.055. Williams, T., P. Rampal, and S. Bouillon. "Wave?ice interactions in the neXtSIM sea-ice model." The Cryosphere 11.5 (2017): 2117-2135. https://doi.org/10.5194/tc-11-2117-2017. Williams, T., A. Korosov, P. Rampal, and E. Ólason, under review. Presentation and evaluation of the Arctic sea ice forecasting system neXtSIM-F. The Cryosphere Discussions. https://doi.org/10.5194/tc-2019-154.

The first outcome of this project is that the neXt-generation Sea Ice Model (neXtSIM) has progressed from being a desktop application running in Matlab to a parallelised code running in C++ with tens of processors. This was a necessary step before it could be coupled to a wave model, and also for it to run efficiently enough to produce a sea ice forecast in real time. This forecast system (neXtSIM-F) was evaluated and found to give good agreement with observation, and is scheduled to be included as part of CMEMS in 2020. This will be of great benefit to the different Arctic stakeholders and operators. There has also been one study published involving neXtSIM coupled to a waves-in-ice module, and another in preparation where it is coupled to Wavewatch III. Both of these give insights into the effects of waves pushing against ice, and the potential effects of ice breakup due to waves, on sea ice dynamics and other properties like thickness.

With increasing temperatures worldwide, the Arctic is experiencing rapid and drastic changes in sea ice conditions, with innumerable consequences for the environment and human activities. In particular, the sea ice extent has experienced several record lows in the last decade, producing more open water in the Arctic ocean, and consequently more waves. At the same time many industries such as tourism, shipping and the oil and gas industry are seeking to take advantage of the reduced ice cover to expand their operations. While there are some economic benefits to this trend, there are also increased chances for accidents. NeXtWIM aims to provide a forecast system based on an extremely realistic sea ice model, which will provide key information about ice edge location, wave heights, and floe sizes to operators in or near the Marginal Ice Zone - the area at the boundary between the sea ice and the ocean where large waves and small, broken pieces of ice can be extremely hazardous. To do this, NeXtWIM will incorporate wave-ice interactions into the next generation sea ice model, neXtSIM. This sea ice model is currently being developed at the Nansen Environmental and Remote Sensing Center (NERSC), and has at its core the highly accurate elasto-brittle sea ice rheology. This platform will be the first of its kind worldwide, giving NERSC, Bergen and Norway generally a leading role in Arctic science.