用于模拟快速冰块的混合粒子-连续体方法及次网格冰山相互作用

南极海冰中约有 4%-13% 的海冰保持静止，作为陆冰（fast ice），通常由 grounded icebergs 锚定。当前的全球气候模型无法表示由于 icebergs 锚定而形成的 fast ice，因为 icebergs 与海冰相互作用大多发生在次网格尺度。我们提出了一种新的次网格尺度耦合机制，将拉格朗日 icebergs 粒子与欧拉海冰连续体模型相耦合。这种混合粒子-连续体方法通过 Green's 函数、Stokeslet 表示点力对粘性-塑性介面的 drag，将 icebergs 的反馈集成到海冰动量方程中。该耦合系统包括由 Stokeslet 引起的 drag，采用分片线性基函数的有限元方法进行离散化。该方法假设单个 icebergs 的直径小于网格间距。所示出的有限元离散化与现有的非结构化网格海洋模型框架（如 FESOM 和 ICON）兼容，确保在地球系统建模中的实际适用性。这项工作首次提供并分析了稳定的数值框架来捕捉次网格尺度 individual icebergs 对海冰动力学的影响。我们推导了对海冰系统的函数具有稳定性的 a priori 估计，表明包括次网格 iceberg-sea-ice drag 的动量方程仍保持稳定。数值测试案例显示，该方法能够在粗糙水平网格上捕捉由于次网格 iceberg 锚定而形成的 fast ice 的能力。