Få saker i naturen är så förutsägbara som havsvatten. Drivna av månens och solens gravitationskraft, är dessa ihållande fenomen med korta perioder och stora magnituder uppenbara i nästan alla typer av oceanografiska och satellitobservationer. De påverkar också livets rytm direkt för miljontals människor och otaliga ekosystem.
Men på senare tid har forskare noterat subtila förändringar i tidvattenmätningar på ytan som inte sammanfaller med förändringar i månen och solens gravitationskraft. Istället tyder insamlad data och teori på att en värmande havsyta kan ligga bakom observationerna.
För att undersöka dessa fenomen har Dr. Michael Schindelegger vid universitetet i Bonn använt superdatorresurser vid Jülich Supercomputing Center (JSC) för att bättre förstå observationsdata som samlats in mellan 1993–2020, vilket förbättrar noggrannheten i tredimensionell (3D) havscirkulation modeller i processen.
Forskningen är publicerad i tidskriften Communications Earth &Environment .
"Tidvatten maskerar ofta andra potentiellt intressanta och mindre förutsägbara signaler relaterade till till exempel havets allmänna cirkulation eller effekter av klimatförändringar", förklarar Schindelegger. "Att dra klimatsignaler från oceanografiska observationer beror också på noggrannheten med vilken vi kan modellera tidvatten, inklusive deras potentiella förändringar över tid."
Forskare uppskattar att de övre 700 metrarna av havet absorberar cirka 90 % av den överskottsvärme som fångas i det värmande klimatsystemet. När denna zon i havet värms upp expanderar den också och blir mindre tät, vilket leder till en högre kontrast i vattentäthet jämfört med lägre nivåer i havet som förblir svalare och tätare.
Specifikt undersöker Schindelegger och hans kollegor det interaktiva förhållandet mellan ett värmande klimat, havsskiktning som ett mått på densitetskontrasten och två typer av tidvattenströmmar:barotropiska tidvatten, som refererar till den periodiska rörelsen av havsströmmar som är förknippade med gravitationskrafter; och barokliniska eller interna tidvatten, som uppstår när barotropiska tidvatten flyter mot undervattenstopografi, som en ås, vilket gör att vågor av tätare vatten från djupet trycker uppåt i mindre tätt ytvatten.
"Uppvärmning i det övre havet ökar energiöverföringen från barotropa till barokliniska tidvatten, så att tidvatten vid öppet hav nu förlorar några procent mer tidvattenenergi till interna vågor än de gjorde för tre decennier sedan", förklarar Schindelegger. För att bedöma hur allvarliga dessa förändringar är och förutsäga deras inverkan på kustområdena har simuleringar blivit ett viktigt verktyg.
Att observera och modellera havsvatten är inget nytt, och färsk data att arbeta med blir tillgänglig varje timme varje dag. Däremot kan insamlad data nära kusten drabbas av "brus" och fel, medan datormodeller alltid är förenklade representationer av processer i den verkliga världen. Det är därför, enligt Schindelegger, det är absolut nödvändigt att beakta både observationsdata och modeller när man testar för tidvattenförändringar.
Dessutom innebär att överväga tidvatten i ett mer realistiskt, skiktat hav – inklusive dessa barokliniska tidvatten – att etablerade 2D-havsmodeller skulle behöva utökas för att inkludera djup som en tredje dimension och ha en högre horisontell upplösning för att uppnå användbar noggrannhet.
"Tidiga försök att modellera var begränsade till en ettlagers havmodell med konstant densitet, som jag till och med kunde köra på en enda CPU," säger Schindelegger. "Men när jag började undersöka orsakerna till förändringar i havets tidvatten, särskilt effekterna av stratifiering, blev 3D allmänna cirkulationsmodeller viktiga."
Schindelegger säger att han ägnade ungefär fem år åt att gradvis lägga till komplexitet till modellen, men det blev klart att för att uppnå den nödvändiga upplösningen för exakta 3D-modeller skulle mer datorkraft behövas. Av denna anledning vände Schindelegger och hans kollegor till JSC:s superdator, JUWELS.
"Eftersom beräkningsrutnätet också sträcker sig i vertikal riktning har vi cirka 300 miljoner rutnätspunkter för att diagnostisera de relevanta variablerna tryck, temperatur och salthalt från modellens ekvationer," säger Schindelegger.
"Vi var tvungna att använda en miljon kärntimmar för att framgångsrikt genomföra projektet. Att distribuera uppgiften till ett stort antal beräkningsnoder var nyckeln för att uppnå genomförbara körtider och undvika minnesproblem. De tillgängliga resurserna på JUWELS gav den nödvändiga grunden för den här typen av applikationer ."
Schindelegger säger att även om dessa tidvattenförändringar på ytan är subtila än så länge – ett fall på cirka en centimeter under flera decennier vid kusten, och ännu mindre i djuphavet – är det fortfarande värt att fortsätta att förbättra 3D-modellen tills den kan förutsäga med rimlig noggrannhet hur dessa förändringar i havsskiktningen kommer att påverka kustområdena i framtiden. Speciellt för platser som Mainebukten eller norra Australien, där tidvattnet är uttalat och möter komplex undervattenstopografi, kan även dessa små förändringar ha betydande konsekvenser.
Med fortsatt tillgång till superdatorresurser kommer Schindelegger och hans medarbetare att utnyttja ett kraftfullt verktyg för att komplettera studier av observationsdata. Sammantaget kommer dessa två forskningsmetoder att hjälpa forskare inom geovetenskap att bättre förstå vilken roll ett värmande hav spelar för tidvatten och deras roll i klimatsystemet.
Mer information: Lana Opel et al, En trolig roll för stratifiering i långsiktiga förändringar av det globala havsvatten, Communications Earth &Environment (2024). DOI:10.1038/s43247-024-01432-5
Tillhandahålls av Gauss Center for Supercomputing
