對海洋湍流的新認識可以改善氣候模型

對海洋湍流的新認識可以改善氣候模型

布朗大學的研究人員對高解析度的海洋模型如何模擬全球海洋的湍流進行了研究。他們的研究發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，可能有助於開發更好地捕捉海洋動力學的新氣候模型。

這項研究的重點是一種被稱為中尺度渦流的湍流形式，海洋漩渦的範圍從一個月到一年不等，在幾十到幾百公里的範圍內。這些渦流可以從強烈的邊界流，如墨西哥灣流中，或在不同溫度和密度的水流接觸的地方形成。

「你可以把這些想像成海洋的天氣，」研究報告的作者之一、布朗大學地球、環境和行星科學學院的副教授貝勒·福克斯-肯珀爾說。「就像大氣中的風暴，這些漩渦有助於在海洋周圍散發能量、溫暖、鹽度和其他東西。」因此，了解它們如何耗散它們的能量使我們對海洋環流有了更準確的了解。

傳統的理論解釋了小尺度湍流是如何消散能量的，當一個渦流消失時，它將能量傳遞到更小的尺度上。換句話說，大的渦流會衰減成更小的漩渦，直到所有的能量都消散。這是一種行之有效的理論，在流體動力學中廣泛應用。問題是它不適用於中尺度渦流。

「這個理論只適用於三維繫統中的渦流，」福克斯-肯珀說。「中等規模的渦流在幾百公里的範圍內，但是海洋只有4公里深，這使得它們基本上是二維的。我們知道，在二維空間中，耗散的工作方式與三種不同。

Fox-Kemper說，二維渦流並不是分解成越來越小的渦流，而是趨向於合併成更大的渦流。

他說:「如果你把手指輕輕地划過肥皂泡，你就能看到它。」「你留下的是一個越來越大、越來越大的漩渦。」在全球海洋中，中等規模的漩渦也是一樣的。

這種高端的能量轉移在數學上並沒有被精確地理解為下降的耗散。這就是Fox-Kemper和Brown的研究科學家Brodie Pearson想要做的。

他們使用了一種高解析度的海洋模型，該模型被證明能很好地匹配全球海洋系統的直接衛星觀測。該模型的高解析度意味著它能夠模擬100公里範圍內的渦流。Pearson和Fox-Kemper想要詳細研究這個模型是如何在統計術語中處理渦流耗散的。

Fox-Kemper說:「我們在模型中運行了5年的海洋環流，我們測量了每個網格點的能量阻尼，以了解統計數據是什麼。」他們發現，耗散遵循的是所謂的對數正態分布，即分布的一個尾部支配著平均分布。

「有個古老的笑話說，如果一個房間里有10個普通人，比爾·蓋茨走進來，每個人平均都能得到10億美元的財富——這是一個對數正態分布，」Fox-Kemper說。「從湍流的角度來說，它告訴我們90%的耗散發生在10%的海洋中。」

Fox-Kemper指出，3-D渦流的降階耗散也遵循對數正態分布。因此，儘管有逆動力學，「有一個等價的轉換，可以讓你預測二維和三維繫統的對數正態。」

研究人員說，這種新的統計數據將有助於開發更粗粒度的海洋模擬，而不是像本研究中使用的那樣計算昂貴。使用這個模型，研究人員花了兩個月的時間使用1000個處理器來模擬僅僅5年的海洋循環。

Fox-Kemper說:「如果你想要模擬幾百年、幾千年或幾年，或者你想要一些你能在海洋和大氣動力學結合的氣候模型中加入的東西，你就需要一個粗粒度的模型，或者它只是計算上的棘手。」「如果我們理解了中尺度渦流如何消散的統計數據，我們就可以將這些數據放入我們的粗粒度模型中。」換句話說，我們可以在不直接模擬的情況下捕捉中尺度渦流的影響。

研究結果還可以對未來的高解析度模型進行檢查。

Fox-Kemper說:「知道了這一點，我們就能更清楚地了解我們的模型是否在做正確的事情，以及如何讓它們變得更好。」「如果一個模型沒有產生這種對數常態，那麼它很可能做錯了什麼。」

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