布朗大学的研究人员对高分辨率的海洋模型如何模拟全球海洋的湍流进行了研究。他们的研究发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，可能有助于开发更好地捕捉海洋动力学的新气候模型。
这项研究的重点是一种被称为中尺度涡流的湍流形式，海洋漩涡的范围从一个月到一年不等，在几十到几百公里的范围内。这些涡流可以从强烈的边界流，如墨西哥湾流中，或在不同温度和密度的水流接触的地方形成。
“你可以把这些想象成海洋的天气，”研究报告的作者之一、布朗大学地球、环境和行星科学学院的副教授贝勒·福克斯-肯珀尔说。“就像大气中的风暴，这些漩涡有助于在海洋周围散发能量、温暖、盐度和其他东西。”因此，了解它们如何耗散它们的能量使我们对海洋环流有了更准确的了解。
传统的理论解释了小尺度湍流是如何消散能量的，当一个涡流消失时，它将能量传递到更小的尺度上。换句话说，大的涡流会衰减成更小的漩涡，直到所有的能量都消散。这是一种行之有效的理论，在流体动力学中广泛应用。问题是它不适用于中尺度涡流。
“这个理论只适用于三维系统中的涡流，”福克斯-肯珀说。“中等规模的涡流在几百公里的范围内，但是海洋只有4公里深，这使得它们基本上是二维的。我们知道，在二维空间中，耗散的工作方式与三种不同。
Fox-Kemper说，二维涡流并不是分解成越来越小的涡流，而是趋向于合并成更大的涡流。
他说:“如果你把手指轻轻地划过肥皂泡，你就能看到它。”“你留下的是一个越来越大、越来越大的漩涡。”在全球海洋中，中等规模的漩涡也是一样的。
这种高端的能量转移在数学上并没有被精确地理解为下降的耗散。这就是Fox-Kemper和Brown的研究科学家Brodie Pearson想要做的。
他们使用了一种高分辨率的海洋模型，该模型被证明能很好地匹配全球海洋系统的直接卫星观测。该模型的高分辨率意味着它能够模拟100公里范围内的涡流。Pearson和Fox-Kemper想要详细研究这个模型是如何在统计术语中处理涡流耗散的。
Fox-Kemper说:“我们在模型中运行了5年的海洋环流，我们测量了每个网格点的能量阻尼，以了解统计数据是什么。”他们发现，耗散遵循的是所谓的对数正态分布，即分布的一个尾部支配着平均分布。
“有个古老的笑话说，如果一个房间里有10个普通人，比尔·盖茨走进来，每个人平均都能得到10亿美元的财富——这是一个对数正态分布，”Fox-Kemper说。“从湍流的角度来说，它告诉我们90%的耗散发生在10%的海洋中。”
Fox-Kemper指出，3-D涡流的降阶耗散也遵循对数正态分布。因此，尽管有逆动力学，“有一个等价的转换，可以让你预测二维和三维系统的对数正态。”
研究人员说，这种新的统计数据将有助于开发更粗粒度的海洋模拟，而不是像本研究中使用的那样计算昂贵。使用这个模型，研究人员花了两个月的时间使用1000个处理器来模拟仅仅5年的海洋循环。
Fox-Kemper说:“如果你想要模拟几百年、几千年或几年，或者你想要一些你能在海洋和大气动力学结合的气候模型中加入的东西，你就需要一个粗粒度的模型，或者它只是计算上的棘手。”“如果我们理解了中尺度涡流如何消散的统计数据，我们就可以将这些数据放入我们的粗粒度模型中。”换句话说，我们可以在不直接模拟的情况下捕捉中尺度涡流的影响。
研究结果还可以对未来的高分辨率模型进行检查。
Fox-Kemper说:“知道了这一点，我们就能更清楚地了解我们的模型是否在做正确的事情，以及如何让它们变得更好。”“如果一个模型没有产生这种对数常态，那么它很可能做错了什么。”
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