english version
dr hab. Agnieszka Herman
Instytut Oceanografii
Uniwersytet Gdański
Al. Piłsudskiego 46, 81-378 Gdynia
Email: oceagah@ug.edu.pl
Tel: +48 (0)58 5236887
Fax: +48 (0)58 5236678
Curriculum Vitae
ResearchGate



ORCID iD0000-0001-5112-7165

Modelowanie numeryczne lodu morskiego metodami elementów dyskretnych – rozwój podstaw teoretycznych i metod numerycznych

Projekt Narodowego Centrum Nauki nr. 2015/19/B/ST10/01568 (program "OPUS 10")

Podstawowe informacje

Cele projektu

Obiektem badań w proponowanym projekcie jest dynamika lodu morskiego, ze szczególnym naciskiem na procesy fragmentacji pokrywy lodowej, jak również submezoskalowe interakcje lodu morskiego z oceanem i atmosferą. Główne cele projektu to:
  1. Rozwój istniejących i opracowanie nowych modeli matematycznych oddziaływań lodu morskiego i falowania, odpowiednich do implementacji w modelach opartych na elementach dyskretnych, tzn. zgodnych z podstawowymi założeniami tych modeli.
  2. Opracowanie (na podstawie wyników teoretycznych) algorytmów numerycznych oddziaływań lodu morskiego i falowania i ich implementacja w modelu DESIgn (Discrete-Element bonded-particle Sea Ice model; patrz strona modelu).
  3. Weryfikacja hipotezy mówiącej, że: (i) wynikiem fragmentacji lodu wywołanej falowaniem są kry o zbliżonych rozmiarach i wielobocznym kształcie oraz że (ii) ich dalsze “rozdrabnianie” przez deformacje ścinające jest odpowiedzialne za formowanie się zaokrąglonych kształtów i potęgowego rozkładu ich rozmiarów.
  4. Rozszerzenie zakresu stosowalności modelu DESIgn poprzez opracowanie i implementację parametryzacji wybranych procesów fizycznych, jak np. deformacji podczas kompresji (pressure ridging); zamarzanie i topnienie. Implementacja nowych funkcji ułatwiających dalszy rozwój modelu.
  5. Pogłębienie naszej wiedzy dotyczącej czynników mogących prowadzić do gwałtownej fragmentacji i dezintegracji pokrywy lodowej na dużych obszarach, jak ta, która miała miejsce w Morzu Beauforta zimą 2013 roku.
  6. Wykorzystanie modelowania o wysokiej rozdzielczości do lepszego poznania oddziaływań atmosfera–lód morski–ocean w sytuacjach silnej fragmentacji pokrywy lodowej i/lub w pobliżu granicy lodu. Analiza wpływu rozkładu wielkości kier na wymianę ciepła i pędu, turbulencję, mieszanie i stabilność pionową w warstwie granicznej morza i atmosfery. Weryfikacja istniejących hipotez dotyczących formowania się „pasm” lodu w pobliżu granicy z otwartą wodą.
  7. Opracowanie parametryzacji powyższych efektów, uwzględniających rozkład wielkości kier, odpowiednich do implementacji w wielkoskalowych modelach lodu.
Pełen opis projektu w języku angielskim można znaleźć tutaj.
Krótkie streszczenie popularnonaukowe znajduje się tutaj.

Efekty realizacji projektu

Artykuły naukowe:

Herman, A., 2018. Wave-induced surge motion and collisions of sea ice floes: finite-floe-fize effects. J. Geophys. Res., 123, 7472-7494, doi: 10.1029/2018JC014500 (paper).
Abstract: Among many mechanisms potentially contributing to wave energy attenuation in sea ice are wave-induced ice floe collisions. At present, little is known about collision patterns and their phase-averaged effects under different combinations of sea ice properties (ice thickness, floe size, etc.) and wave forcing (wavelength and steepness). The existing parameterizations of collision-related effects are therefore based on several simplifying, unverified assumptions. In this work, wave-induced motion and collisions of ice floes are analyzed numerically with a model based on momentum equations for an arbitrary number of floes, with source terms computed by integrating local forcing (wave-induced dynamic pressure, surface drag, etc.) over the surface area/volume of each floe. It is shown that this simple model, with prescribed wave forcing (i.e., no wave-ice interactions), is capable of reproducing observed surge amplitudes up to floe sizes comparable with wavelength. A full Hertzian contact model is used instead of a simple hard-disk algorithm, which makes the model suitable for simulating both rapid collisions and prolonged contact between floes. The model equations are used to formulate heuristic collision criteria based on relative floe size, ice concentration, and wave steepness. The model is then run for different combinations of those three parameters, together with different restitution and drag coefficients, in order to analyze possible motion/collision patterns within the multidimensional parameter space, and phase-averaged effects of collisions: kinetic and contact stress, granular temperature, and work done by forces acting on the ice.

Wenta, M., Herman, A., 2018. The influence of the spatial distribution of leads and ice floes on the atmospheric boundary layer over fragmented sea ice. Ann. Glaciol., 59, 213-230, doi: 10.1017/aog.2018.15 (paper)
Abstract: The response of the atmospheric boundary layer (ABL) to subgrid-scale variations of sea ice properties and fracturing is poorly understood and not taken into account in mesoscale Numerical Weather Prediction (NWP) model parametrizations. In this paper we analyze three-dimensional air circulation within the ABL over fragmented sea ice. A series of idealized high-resolution simulations with the Weather Research and Forecasting (WRF) model is performed for several spatial distributions of ice floes and leads for two values of sea ice concentration (0.5 and 0.9) and several ambient wind speed profiles. The results show that the convective circulation within the ABL is sensitive to the subgrid-scale spatial distribution of sea ice. Considerable variability of several domain-averaged quantities – cloud liquid water content, surface turbulent heat flux (THF) – is found for different arrangements of floes. Moreover, the organized structure of air circulation leads to spatial covariance of variables characterizing the ABL. Based on the example of THF, it is demonstrated that this covariance may lead to substantial errors when THF values are estimated from area-averaged quantities, as it is done in mesoscale NWP models. This suggests the need for developing suitable parametrizations of ABL effects related to subgridscale sea ice features for these models.

Herman, A., 2017. Wave-induced stress and breaking of sea ice in a coupled hydrodynamic–discrete-element wave–ice model. The Cryosphere, 11, 2711-2725, doi: 10.5194/tc-11-2711-2017 (paper).
Abstract: In this paper, a coupled sea ice–wave model is developed and used to analyze wave-induced stress and breaking in sea ice for a range of wave and ice conditions. The sea ice module is a discrete-element bonded-particle model, in which ice is represented as cuboid “grains” floating on the water surface that can be connected to their neighbors by elastic joints. The joints may break if instantaneous stresses acting on them exceed their strength. The wave module is based on an open-source version of the Non-Hydrostatic WAVE model (NHWAVE). The two modules are coupled with proper boundary conditions for pressure and velocity, exchanged at every wave model time step. In the present version, the model operates in two dimensions (one vertical and one horizontal) and is suitable for simulating compact ice in which heave and pitch motion dominates over surge. In a series of simulations with varying sea ice properties and incoming wavelength it is shown that wave-induced stress reaches maximum values at a certain distance from the ice edge. The value of maximum stress depends on both ice properties and characteristics of incoming waves, but, crucially for ice breaking, the location at which the maximum occurs does not change with the incoming wavelength. Consequently, both regular and random (Jonswap spectrum) waves break the ice into floes with almost identical sizes. The width of the zone of broken ice depends on ice strength and wave attenuation rates in the ice.

Wystąpienia na konferencjach

Wenta, M., Herman, A., 2017. Submesoscale atmospheric boundary layer processes over fragmented sea ice, 97th AMS Annual Meeting, 14th Conference on Polar Meteorology and Oceanography, Seattle, USA, 22-26 I 2017 (poster).