Sea ice profoundly influences the polar environment and the global climate. Traditionally, Sea ice has been modeled as a continuum under Eulerian coordinates to describe its large-scale features, using, for instance, viscous-plastic rheology. Recently, Lagrangian particle models, also known as the discrete element method (DEM) models, have been utilized for characterizing the motion of individual sea ice fragments (called floes) at scales of 10 km and smaller, especially in marginal ice zones. This paper develops a multiscale model that couples the particle and the continuum systems to facilitate an effective representation of the dynamical and statistical features of sea ice across different scales. The multiscale model exploits a Boltzmann-type system that links the particle movement with the continuum equations. For the small-scale dynamics, it describes the motion of each sea ice floe. Then, as the large-scale continuum component, it treats the statistical moments of mass density and linear and angular velocities. The evolution of these statistics affects the motion of individual floes, which in turn provides bulk feedback that adjusts the large-scale dynamics. Notably, the particle model characterizing the sea ice floes is localized and fully parallelized, in a framework that is sometimes called superparameterization, which significantly improves computation efficiency. Numerical examples demonstrate the effective performance of the multiscale model. Additionally, the study demonstrates that the multiscale model has a linear-order approximation to the truth model.
翻译:海冰在传统上对极地环境和全球气候有深刻的影响。 传统上, 海冰是作为连续体在欧莱安坐标下的一个连续体模型,用来描述其大型特征,例如,使用粘结- 塑料色色的红色。 最近, Lagrangeian 粒子模型,又称为离散元素法(DEM)模型,用来描述个体海冰碎块(所谓的浮质)在10公里和较小尺度上的运动,特别是在边际冰带。 本文开发了一个多尺度模型, 将粒子和连续系统结合起来, 以便利有效反映不同尺度的海冰动态和统计特征。 多尺度模型模型模型利用了将粒子运动与连续方程式连接起来的博尔茨曼型系统。 对于小规模动态,它描述了每个海冰流流的动态。 然后,作为大型连续体部分,它处理质量密度和线性模型和角模型速度的统计时段。 这些统计数据的演变影响到个体浮体的移动体运动, 反过来又提供大规模反馈, 调整大尺度的直径动态动态动态。 特别是, 模型的缩缩形模型化, 模拟的模型的计算,, 是一个平行的模型化,, 模拟的模型的模型的模型的模型, 演示,,,, 演示的模型的模型的模型的模型的模型的模型的模型的模型的模型的模型的平行化,,,,,, 演示,,,,,,,, 以 以 以 以 演示的 演示的模型的模型的模型化为,,, 演示的, 演示的 以 以 的 的 以 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 以 以 以 以 以 以 以 的 以 以 的 以 以 度 度 度</s>