Ny forståelse af havturbulens kan forbedre klimamodeller

Forskere fra Brown University har lavet et centralt indblik i, hvordan højopløselige havmodeller simulerer spredningen af ​​turbulens i det globale hav. Deres forskning, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , kunne være behjælpelig med at udvikle nye klimamodeller, der bedre fanger havets dynamik.

Undersøgelsen var fokuseret på en form for turbulens kendt som mesoscale eddies, ocean hvirvler på en skala fra ti til hundrede af kilometer på tværs, der varer alt fra en måned til et år. Den slags hvirvler kan klemme af fra stærke grænsestrømme som Golfstrømmen, eller dannes, hvor vandstrømme med forskellige temperaturer og tætheder kommer i kontakt.

"Du kan tænke på disse som vejret i havet, " sagde Baylor Fox-Kemper, medforfatter af undersøgelsen og en lektor i Browns Department of Earth, Miljø- og planetvidenskab. "Som storme i atmosfæren, disse hvirvler hjælper med at distribuere energi, varme, saltholdighed og andre ting omkring havet. Så at forstå, hvordan de spreder deres energi, giver os et mere præcist billede af havets cirkulation."

Den traditionelle teori for, hvordan småskala turbulens spreder energi, siger, at når en hvirvel dør ud, den overfører sin energi til mindre og mindre skalaer. Med andre ord, store hvirvler henfalder til mindre og mindre hvirvler, indtil al energien er spredt. Det er en veletableret teori, der laver nyttige forudsigelser, der er meget udbredt i fluiddynamik. Problemet er, at det ikke gælder for mesoskala -virvler.

"Den teori gælder kun for hvirvler i tredimensionelle systemer, " sagde Fox-Kemper. "Hvirvler i mesoskala er på skalaen hundreder af kilometer på tværs, alligevel er havet kun fire kilometer dybt, hvilket gør dem i det væsentlige todimensionelle. Og vi ved, at dissipation fungerer anderledes i to dimensioner, end det gør i tre."

I stedet for at bryde op i mindre og mindre hvirvler, Fox-Kemper siger, todimensionelle hvirvler har en tendens til at smelte sammen til større og større.

"Du kan se det, hvis du trækker din finger meget forsigtigt hen over en sæbeboble, " sagde han. "Du efterlader denne hvirvlende stribe, der bliver større og større med tiden. Mesoskala hvirvler i det globale hav fungerer på samme måde."

Denne opskalerede energioverførsel er ikke så godt forstået matematisk som nedskaleringsspredningen. Det er hvad Fox-Kemper og Brodie Pearson, en forsker ved Brown, ønskede at gøre med denne undersøgelse.

De brugte en havmodel med høj opløsning, som har vist sig at gøre et godt stykke arbejde med at matche direkte satellitobservationer af det globale havsystem. Modellens høje opløsning betyder, at den er i stand til at simulere hvirvler i størrelsesordenen 100 kilometer på tværs. Pearson og Fox-Kemper ønskede at se nærmere på, hvordan modellen håndterede hvirvelspredning i statistiske termer.

"Vi kørte fem års havcirkulation i modellen, og vi målte dæmpningen af ​​energi ved hvert netpunkt for at se, hvad statistikken er, " sagde Fox-Kemper. De fandt ud af, at dissipation fulgte det, der er kendt som en lognormal fordeling - en, hvor den ene hale af fordelingen dominerer gennemsnittet.

"Der er den gamle joke, at hvis du har 10 almindelige mennesker i et værelse, og Bill Gates går ind, alle bliver i gennemsnit en milliard dollars rigere - det er en lognormal fordeling, " sagde Fox-Kemper. "Hvad det fortæller os med hensyn til turbulens er, at 90 procent af spredningen finder sted i 10 procent af havet."

Fox-Kemper bemærkede, at nedskaleringsspredningen af ​​3-D-hvirvler også følger en lognormal fordeling. Så på trods af den omvendte dynamik, "der er en tilsvarende transformation, der lader dig forudsige lognormalitet i både 2-D og 3-D-systemer."

Forskerne siger, at denne nye statistiske indsigt vil være nyttig til at udvikle grovere kornede havsimuleringer, der ikke er så beregningsmæssigt dyre som den, der blev brugt i denne undersøgelse. Ved at bruge denne model, det tog forskerne to måneder at bruge 1, 000 processorer til at simulere blot fem års havcirkulation.

"Hvis du vil simulere hundreder eller tusinder eller år, eller hvis du vil have noget, du kan inkorporere i en klimamodel, der kombinerer hav og atmosfærisk dynamik, du har brug for en mere grovkornet model, ellers er den bare beregningsmæssigt uoverskuelig, " sagde Fox-Kemper. "Hvis vi forstår statistikken over, hvordan hvirvelstrømme i mesoskala forsvinder, we might be able to bake those into our coarser-grained models. Med andre ord, we can capture the effects of mesoscale eddies without actually simulating them directly."

The results could also provide a check on future high-resolution models.

"Knowing this makes us much more capable of figuring out if our models are doing the right thing and how to make them better, " Fox-Kemper said. "If a model isn't producing this lognormality, then it's probably doing something wrong."