Brown University-forskare har gjort en viktig inblick i hur högupplösta havsmodeller simulerar avledning av turbulens i det globala havet. Deras forskning, publiceras i Fysiska granskningsbrev , kan vara till hjälp för att utveckla nya klimatmodeller som bättre fångar havets dynamik.

Studien var fokuserad på en form av turbulens som kallas mesoskala virvlar, havet virvlar runt på en skala av tiotals till hundratals kilometer över som varar allt från en månad till ett år. Dessa typer av virvlar kan nypa av från starka gränsströmmar som Golfströmmen, eller bildas där vattenflöden med olika temperaturer och densiteter kommer i kontakt.

"Du kan tänka på dessa som havets väder, sa Baylor Fox-Kemper, medförfattare till studien och en docent vid Browns Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap. "Som stormar i atmosfären, dessa virvlar hjälper till att distribuera energi, värme, salthalt och annat runt havet. Så att förstå hur de sprider sin energi ger oss en mer korrekt bild av havscirkulationen."

Den traditionella teorin för hur småskalig turbulens skingra energi säger att när en virvel dör ut, den överför sin energi till mindre och mindre skalor. Med andra ord, stora virvlar förfaller till mindre och mindre virvlar tills all energi försvinner. Det är en väletablerad teori som gör användbara förutsägelser som ofta används i vätskedynamik. Problemet är att det inte gäller mesoscale virvlar.

"Den teorin gäller bara virvlar i tredimensionella system, ", sa Fox-Kemper. "Virvlor i mesoskala är på en skala av hundratals kilometer tvärs över, ändå är havet bara fyra kilometer djupt, vilket gör dem i huvudsak tvådimensionella. Och vi vet att spridning fungerar annorlunda i två dimensioner än i tre. "

Snarare än att bryta upp i mindre och mindre virvlar, Fox-Kemper säger, tvådimensionella virvlar tenderar att smälta samman till större och större.

"Du kan se det om du drar fingret mycket försiktigt över en såpbubbla, " sa han. "Du lämnar bakom dig denna virvlande strimma som blir större och större med tiden. Mesoskaliga virvlar i det globala havet fungerar på samma sätt."

Denna exklusiva energiöverföring är inte så väl förstådd matematiskt som nedskalningsförlusten. Det är vad Fox-Kemper och Brodie Pearson, en forskare vid Brown, ville göra med denna studie.

De använde en havsmodell med hög upplösning som har visat sig göra ett bra jobb med att matcha direkta satellitobservationer av det globala havssystemet. Modellens höga upplösning gör att den kan simulera virvlar i storleksordningen 100 kilometer i diameter. Pearson och Fox-Kemper ville titta i detalj på hur modellen hanterade virvelavledning i statistiska termer.

"Vi körde fem års havscirkulation i modellen, och vi mätte dämpningen av energi vid varje nätpunkt för att se vad statistiken är, " sa Fox-Kemper. De fann att förlust följde vad som är känt som en lognormal fördelning - en där ena svansen av fördelningen dominerar genomsnittet.

"Det är det gamla skämtet att om du har 10 vanliga personer i ett rum och Bill Gates kommer in, alla blir i genomsnitt en miljard dollar rikare – det är en lognormalfördelning, "Sade Fox-Kemper. "Vad det säger oss när det gäller turbulens är att 90 procent av försvinnandet sker i 10 procent av havet."

Fox-Kemper noterade att nedskalningen av 3D-virvlar också följer en lognormalfördelning. Så trots den omvända dynamiken, "det finns en likvärdig transformation som låter dig förutsäga lognormalitet i både 2D- och 3D-system."

Forskarna säger att denna nya statistiska insikt kommer att vara till hjälp för att utveckla grövre korniga havssimuleringar som inte är lika beräkningsmässigt dyra som den som används i denna studie. Med denna modell, det tog forskarna två månader att använda 1, 000 processorer för att simulera bara fem års havscirkulation.

"Om du vill simulera hundratals eller tusentals eller år, eller om du vill ha något du kan införliva i en klimatmodell som kombinerar havets och atmosfärens dynamik, du behöver en grövre modell eller så är den bara beräkningsmässigt svårhanterlig, " Fox-Kemper said. "If we understand the statistics of how mesoscale eddies dissipate, we might be able to bake those into our coarser-grained models. Med andra 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."