Исследователи Университета Брауна сделали ключевое понимание того, как модели океана с высоким разрешением имитируют рассеивание турбулентности в глобальном океане. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, может помочь в разработке новых климатических моделей, которые лучше отражают динамику океана.
Исследование было сосредоточено на форме турбулентности, известной как мезомасштабные водовороты, океанские водовороты размером от десятков до сотен километров в поперечнике, которые длятся от месяца до года. Такие водовороты могут отрываться от сильных граничных течений, таких как Гольфстрим, или образовываться там, где соприкасаются потоки воды с разной температурой и плотностью.
«Вы можете думать об этом как о погоде в океане», - сказал Бэйлор Фокс-Кемпер, соавтор исследования и доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах Брауна. «Подобно штормам в атмосфере, эти водовороты помогают распределять энергию, тепло, соленость и другие вещи по всему океану. Поэтому понимание того, как они рассеивают свою энергию, дает нам более точную картину циркуляции океана».
Традиционная теория того, как мелкомасштабная турбулентность рассеивает энергию, утверждает, что по мере того, как вихрь затухает, он передает свою энергию все более и более мелким масштабам. Другими словами, большие вихри распадаются на все меньшие и меньшие вихри, пока вся энергия не рассеется. Это хорошо зарекомендовавшая себя теория, которая делает полезные предсказания, широко используемые в гидродинамике. Проблема в том, что это не относится к мезомасштабным водоворотам.
«Эта теория применима только к водоворотам в трехмерных системах», - сказал Фокс-Кемпер.«Мезомасштабные водовороты достигают сотен километров в поперечнике, а глубина океана составляет всего четыре километра, что делает их по существу двумерными. И мы знаем, что диссипация работает иначе в двух измерениях, чем в трех».
Вместо того, чтобы разбиваться на более мелкие водовороты, говорит Фокс-Кемпер, двумерные водовороты имеют тенденцию сливаться в более крупные и крупные.
«Вы можете увидеть это, если очень осторожно проведете пальцем по мыльному пузырю», - сказал он. «Вы оставляете после себя эту закрученную полосу, которая со временем становится все больше и больше. Мезомасштабные водовороты в глобальном океане работают точно так же».
Эта высокоуровневая передача энергии не так хорошо понята математически, как низкоуровневая диссипация. Это то, что Фокс-Кемпер и Броди Пирсон, научный сотрудник Брауна, хотели сделать с помощью этого исследования.
Они использовали модель океана с высоким разрешением, которая, как было показано, хорошо справляется с сопоставлением прямых спутниковых наблюдений глобальной океанической системы. Высокое разрешение модели означает, что она способна имитировать водовороты диаметром порядка 100 километров. Пирсон и Фокс-Кемпер хотели подробно рассмотреть, как модель справляется с рассеянием вихрей в статистических терминах.
«В модели мы рассмотрели циркуляцию океана за пять лет и измерили затухание энергии в каждой точке сетки, чтобы увидеть статистику», - сказал Фокс-Кемпер. Они обнаружили, что диссипация соответствует так называемому логнормальному распределению, в котором один хвост распределения доминирует над средним значением.
«Есть старая шутка, что если у вас есть 10 обычных людей в комнате и входит Билл Гейтс, каждый в среднем становится богаче на миллиард долларов - это логнормальное распределение», - сказал Фокс-Кемпер. «Что это говорит нам с точки зрения турбулентности, так это то, что 90 процентов рассеяния происходит в 10 процентах океана».
Фокс-Кемпер отметил, что рассеяние трехмерных вихрей на нижнем масштабе также подчиняется логнормальному распределению. Таким образом, несмотря на обратную динамику, «есть эквивалентное преобразование, которое позволяет предсказать логнормальность как в 2-D, так и в 3-D системах».
Исследователи говорят, что эта новая статистическая информация будет полезна при разработке более детальных моделей океана, которые не так затратны в вычислительном отношении, как та, которая используется в этом исследовании. Используя эту модель, исследователям потребовалось два месяца, используя 1000 процессоров, чтобы смоделировать циркуляцию океана всего за пять лет.
"Если вы хотите смоделировать сотни или тысячи лет, или если вы хотите что-то, что вы можете включить в модель климата, которая сочетает в себе динамику океана и атмосферы, вам нужна более грубая модель, иначе она просто не поддается вычислительной обработке", - сказал Фокс-Кемпер. «Если мы поймем статистические данные о том, как рассеиваются мезомасштабные водовороты, мы сможем включить их в наши более грубые модели. Другими словами, мы сможем зафиксировать эффекты мезомасштабных водоворотов, не моделируя их напрямую».
Результаты могут также послужить проверкой будущих моделей с высоким разрешением.
«Знание этого делает нас гораздо более способными выяснить, правильно ли работают наши модели, и как сделать их лучше», - сказал Фокс-Кемпер. «Если модель не дает такой логнормальности, значит, она, вероятно, делает что-то не так».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (OCE-1350795), Управлением военно-морских исследований (N00014-17-1-2963) и Национальной программой ключевых исследований Китая (2017YFA0604100.