Improved representation of sea‐ice processes in climate models

Abstract

The apparent sensitivity of high latitudes to climate perturbations has spurred the development of global climate model components with improved parametrizations of sea‐ice related processes. We focus on two of these. The first involves the ocean component in which we generalize a recently developed parametrization of brine rejection during sea‐ice formation for use in a multi‐category sea‐ice model (i.e., one that resolves the thickness distribution function). The parametrization employs initial subsurface mixing of brine‐enriched surface waters resulting from sea‐ice growth. It is implemented in the University of Victoria coupled model, and numerical experiments are performed to highlight the physical processes and feedbacks involved. It is shown that a better representation of brine rejection improves the simulation of intermediate and deep ocean waters. Over the Arctic Ocean it also improves the simulation of the warm Atlantic Layer and sharpens the halocline. The second part of this paper focuses on the sea‐ice component. We perform a series of stand‐alone sea‐ice model experiments comparing a recently developed multi‐layer energy‐conserving thermodynamic scheme with the simplified scheme used in many existing climate models. Experiments are done with and without the inclusion of dynamic processes (ice motion and deformation). Of particular interest is the impact of changes in the representation of dynamic and thermodynamic processes on the response of sea ice to climate perturbations. This is accomplished by comparing results obtained with present‐day and future climate forcing, the latter obtained from the Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis (CCCma) coupled climate model. We find that the more sophisticated thermodynamic scheme increases the sensitivity of ice volume, but decreases the sensitivity of ice area. As in previous studies, the introduction of ice dynamics tends to reduce sensitivity relative to a thermodynamic‐only model.

Résumé

[Traduit par la rédaction] La sensibilité apparente des hautes latitudes aux perturbations du climat a stimulé la mise au point de composants des modèles globaux du climat avec paramétrage amélioré des processus reliés à la glace de mer. Nous portons notre attention sur deux d'entre eux. Le premier comporte le composant océanique dans lequel nous généralisons un paramétrage récent du rejet de saumure durant la formation de glace de mer pour utilisation dans un modèle de glace de mer à catégories multiples (c ‘est‐à‐dire un paramétrage qui résout la fonction de distribution d'épaisseur). Le paramétrage utilise un mélange sous‐marin initial des eaux de surface enrichies de saumure provenant de la croissance de la glace de mer. Il est appliqué au modèle couplé de l'Université de Victoria et des expériences numériques sont réalisées pour mettre en évidence les processus physiques et les rétroactions en cause. Il est démontré qu ‘une meilleure représentation du rejet de saumure améliore la simulation des eaux océaniques des zones intermédiaires et profondes. Au‐dessus de l'océan Arctique, il améliore également la simulation de la couche chaude de l'océan Atlantique et accentue l'halocline. La deuxième section de cet article se concentre sur le composant de glace de mer. Nous réalisons une série d'expériences autonomes du modèle de glace de mer, en comparant un schéma thermodynamique multicouche à conservation d'énergie récemment mis au point avec le schéma simplifié utilisé dans plusieurs modèles actuels du climat. Les expériences sont effectuées en incluant et en excluant les processus dynamiques (mouvement de la glace et déformation). L'impact des modifications dans la représentation des processus dynamiques et thermodynamiques sur la réponse de la glace de mer aux perturbations du climat présente un intérêt particulier. Ceci est réalisé en comparant les résultats obtenus avec les forçages du climat actuel et du climat futur, ce dernier étant obtenu du modèle couplé du climat du Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatiques (CCCma). Nous croyons que le schéma thermodynamique plus perfectionné augmente la sensibilité du volume de glace, mais diminue la sensibilité de la couverture de glace. Tout comme dans les études précédentes, l'introduction de la dynamique de la glace tend à réduire la sensibilité par rapport à un modèle se servant seulement de la thermodynamique.

Notes

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