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Comparison of different numerical approaches to the 1D sea-ice thermodynamics problem

Authors :
Martin Vancoppenolle
Louis-Bruno Tremblay
Hendrik Huwald
Frédéric Dupont
Meteorological Service of Canada (MSC)
Environment and Climate Change Canada
Processus de couplage à Petite Echelle, Ecosystèmes et Prédateurs Supérieurs (PEPS)
Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences [Montréal]
McGill University = Université McGill [Montréal, Canada]
Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636))
Source :
Ocean Modelling, Ocean Modelling, Elsevier, 2015, 87, pp.20-29. ⟨10.1016/j.ocemod.2014.12.006⟩, Ocean Modelling, 2015, 87, pp.20-29. ⟨10.1016/j.ocemod.2014.12.006⟩
Publisher :
Elsevier

Abstract

The vertical one-dimensional sea-ice thermodynamic problem using the principle of conservation of enthalpy is revisited here using (1) the Bitz and Lipscomb (1999) finite-difference approach (FD), (2) a reformulation of the sigma-level transformation of Huwald et al. (2005b) (FV) and (3) a Finite Element approach also in sigma coordinates (FE). These three formulations are compared in terms of physics, numerics, and performance, in order to identify the best choice for large-scale climate models. The BL99 formulation sequentially treats the diffusion of heat and the changes in the vertical position of the ice-snow layers. In contrast, the FV sigma-level transformation elegantly treats both simultaneously. The original FV formulation suffers however from slow convergence. The convergence can nonetheless be improved significantly with a few simple modifications to the original code. The three formulations are compared following the experimental protocol of the Sea Ice Model Intercomparison Project for ice thermodynamics (SIMIP2). It is found that all formulations converge to the same solution. The FD approach, however, suffers from the added cost of the remapping step at large number of ice layers we include in the appendix an optimized version of the FD code–written by one of the reviewer–that resolves this issue. Finally the FE formulation results in a sub-surface temperature over-estimation at low resolution, a problem which disappears at high resolution. Hence, only FD and FV are found suitable for climate models.

Details

ISSN :
14635003
Database :
OpenAIRE
Journal :
Ocean Modelling, Ocean Modelling, Elsevier, 2015, 87, pp.20-29. ⟨10.1016/j.ocemod.2014.12.006⟩, Ocean Modelling, 2015, 87, pp.20-29. ⟨10.1016/j.ocemod.2014.12.006⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....f891e0c9a2647fdd1e095544a8800b7d
Full Text :
https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2014.12.006⟩