Onderzoekers van de Brown University hebben een belangrijk inzicht gegeven in hoe oceaanmodellen met hoge resolutie de dissipatie van turbulentie in de wereldwijde oceaan simuleren. Hun onderzoek, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe klimaatmodellen die de oceaandynamiek beter vastleggen.

De studie was gericht op een vorm van turbulentie die bekend staat als mesoscale eddies, oceaanwervelingen op de schaal van tientallen tot honderden kilometers breed die een maand tot een jaar duren. Dit soort wervelingen kunnen afknijpen van sterke grensstromen zoals de Golfstroom, of vorm waar waterstromen van verschillende temperaturen en dichtheden in contact komen.

"Je kunt dit zien als het weer van de oceaan, " zei Baylor Fox-Kemper, co-auteur van de studie en een universitair hoofddocent in Brown's Department of Earth, Milieu- en planetaire wetenschappen. "Als stormen in de atmosfeer, deze wervelingen helpen om energie te verdelen, warmte, zoutgehalte en andere dingen rond de oceaan. Dus als we begrijpen hoe ze hun energie afvoeren, krijgen we een nauwkeuriger beeld van de oceaancirculatie."

De traditionele theorie over hoe kleinschalige turbulentie energie verdrijft, stelt dat als een wervel uitsterft, het geeft zijn energie door aan steeds kleinere schalen. Met andere woorden, grote draaikolken vervallen in kleinere en kleinere draaikolken totdat alle energie is verdwenen. Het is een gevestigde theorie die bruikbare voorspellingen doet die veel worden gebruikt in de vloeistofdynamica. Het probleem is dat het niet van toepassing is op mesoscale wervelingen.

"Die theorie is alleen van toepassing op wervelingen in driedimensionale systemen, Fox-Kemper zei. "Mesoscale wervelingen zijn op de schaal van honderden kilometers breed, toch is de oceaan slechts vier kilometer diep, waardoor ze in wezen tweedimensionaal zijn. En we weten dat dissipatie in twee dimensies anders werkt dan in drie."

In plaats van op te splitsen in kleinere en kleinere draaikolken, Fox-Kemper zegt, tweedimensionale wervelingen hebben de neiging om samen te smelten tot grotere en grotere.

"Je kunt het zien als je met je vinger heel voorzichtig over een zeepbel gaat, " zei hij. "Je laat deze wervelende streep achter die in de loop van de tijd groter en groter wordt. Mesoscale wervelingen in de mondiale oceaan werken op dezelfde manier."

Deze hoogwaardige energieoverdracht is wiskundig niet zo goed begrepen als de downscale-dissipatie. Dat is wat Fox-Kemper en Brodie Pearson, een onderzoeker bij Brown, met dit onderzoek wilde doen.

Ze gebruikten een oceaanmodel met hoge resolutie waarvan is aangetoond dat het de directe satellietobservaties van het wereldwijde oceaansysteem goed kan matchen. De hoge resolutie van het model betekent dat het in staat is om wervelingen in de orde van grootte van 100 kilometer te simuleren. Pearson en Fox-Kemper wilden in detail bekijken hoe het model statistisch omging met werveldissipatie.

"We hebben vijf jaar oceaancirculatie in het model uitgevoerd, en we hebben de demping van energie op elk netpunt gemeten om te zien wat de statistieken zijn, "Zei Fox-Kemper. Ze ontdekten dat de dissipatie een zogenaamde lognormale verdeling volgde - een waarbij één staart van de verdeling het gemiddelde domineert.

"Er is de oude grap dat als je 10 gewone mensen in een kamer hebt en Bill Gates binnenkomt, iedereen wordt gemiddeld een miljard dollar rijker - dat is een lognormale verdeling, "Zei Fox-Kemper. "Wat het ons vertelt in termen van turbulentie is dat 90 procent van de dissipatie plaatsvindt in 10 procent van de oceaan."

Fox-Kemper merkte op dat de downscale-dissipatie van 3D-wervelingen ook een lognormale verdeling volgt. Dus ondanks de omgekeerde dynamiek, "er is een equivalente transformatie waarmee je lognormaliteit kunt voorspellen in zowel 2D- als 3D-systemen."

De onderzoekers zeggen dat dit nieuwe statistische inzicht nuttig zal zijn bij het ontwikkelen van grovere oceaansimulaties die niet zo rekenkundig duur zijn als degene die in dit onderzoek is gebruikt. Met behulp van dit model, het kostte de onderzoekers twee maanden om 1, 000 processors om slechts vijf jaar oceaancirculatie te simuleren.

"Als je honderden of duizenden of jaren wilt simuleren, of als je iets wilt dat je kunt opnemen in een klimaatmodel dat oceaan- en atmosferische dynamiek combineert, je hebt een grover model nodig of het is gewoon rekenkundig onhandelbaar, "Zei Fox-Kemper. "Als we de statistieken begrijpen van hoe mesoscale wervelingen verdwijnen, we might be able to bake those into our coarser-grained models. Met andere woorden, 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."