NSFGEO-NERC: Multiscale Stochastic Modeling and Analysis of the Ocean Circulation

NSFGEO-NERC:海洋环流的多尺度随机建模与分析

基本信息

  • 批准号:
    NE/R011567/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30.6万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2018 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The turbulent oceanic flows consist of complex motions - jets, vortices and waves that co-exist on very different spatio-temporal scales but also without clear scale separation. Along with computational challenges to simulate multiscale oceanic circulation in high numerical resolution, as well as resulting difficulties in dynamically and kinematical understanding of multiscale flows, naturally goes practical need to develop emulators, i.e. prognostic models of reduced complexity that would reproduce dynamically the whole complexity of turbulent oceanic motions across scales. This initiative aims to develop such emulators by mathematical, i.e. equations-based as well as data-driven reduction methods, describing evolution of relatively few (from tens to hundreds) spatio-temporal modes and capturing essential statistical properties of the underlying multiscale oceanic flow and stratification. It will combine development and applications of state-of-the-art data-adaptive methods and rigorous mathematical theory for dynamical and empirical reduction in the hierarchy ofoceanic models from the quasi-geostrophic to primitive equations.The goals of this proposal are (i) to extend recent theoretical results and to emulate the full spectrum of dynamically important scales including mesoscale eddies; (ii) to demonstrate that the stochastic and nonlinear flow emulators can provide fundamental novel insights into dynamical and kinematical properties of the multiscale transient flow patterns and their interactions, and to search for dynamical interpretations of nonlinear mode interactions; (iii) to extend empirical and dynamical reduction methods to spatially inhomogeneous and turbulent flows; (iv) to consider several types of dynamically simulated eddying flows of the ocean circulation in the hierarchy of oceanic models across full spectrum of complexity and geography, from anisotropic beta-plane turbulence on zonal currents, and wind-driven gyres with western boundary currents, to comprehensive solutions by Regional Oceanic Modeling System, and, thus, to develop efficient emulators for the eddying multiscale flows, (v) to embed the stochastic and nonlinear flow emulators into non-eddy-resolving dynamical oceanic models as effective parameterizations of the eddy effects. The intellectual merit of this project is in developing versatile and novel methods to construct stochastic oceanic emulators of reduced complexity, based either on high-end model simulations or underlying dynamical equations, or both, and capturing oceanic dynamics across scales, i.e., from large-scale decadal variability to mesoscale eddies, and resulting dynamical and kinematical understanding of multiscale flows.The project's broader impacts lie in developing methods that are very general and can be easily adopted to other sciences. The statistical models that emulate the turbulent flows in a coarse-grained sense can be adopted as efficient and low-cost emulators for oceanic components of general circulation models. The project represents perfect fit to NSF-NERC program goals of fostering USA-UK research and perfect opportunity for the postdocs to get engaged into the leading-edge international research. Eddy-resolving solutions data and software will be made public.
海洋湍流由复杂的运动组成——喷流、涡流和波浪,它们在非常不同的时空尺度上共存,但也没有明显的尺度分离。除了以高数值分辨率模拟多尺度海洋环流的计算挑战,以及对多尺度流的动态和运动学理解造成的困难之外,自然需要开发模拟器,即降低复杂性的预测模型,以动态地再现海洋环流的整体复杂性。跨尺度的湍流海洋运动。该计划旨在通过数学(即基于方程和数据驱动的简化方法)开发此类模拟器,描述相对较少(从数十到数百)时空模式的演化,并捕获底层多尺度海洋流和的基本统计特性。分层。它将结合最先进的数据自适应方法和严格的数学理论的开发和应用,用于从准地转方程到原始方程的海洋模型层次结构的动态和经验简化。该提案的目标是(i)扩展最近的理论结果并模拟包括中尺度涡流在内的动态重要尺度的全谱; (ii) 证明随机和非线性流动模拟器可以为多尺度瞬态流动模式及其相互作用的动力学和运动学特性提供基本的新颖见解,并寻找非线性模式相互作用的动力学解释; (iii) 将经验和动态还原方法扩展到空间不均匀和湍流; (iv) 考虑在整个复杂性和地理范围的海洋模型层次中动态模拟海洋环流的几种类型的涡流,从纬向流的各向异性β平面湍流到西边界流的风驱动环流,区域海洋模拟系统的综合解决方案,从而开发高效的涡流多尺度流模拟器,(v)将随机和非线性流模拟器嵌入到非涡旋解析动力海洋模型作为涡旋效应的有效参数化。该项目的智力优点在于开发通用且新颖的方法来构建降低复杂性的随机海洋模拟器,基于高端模型模拟或底层动力学方程,或两者兼而有之,并捕获跨尺度的海洋动力学,即从大尺度尺度年代际变化到中尺度涡流,以及由此产生的对多尺度流的动力学和运动学理解。该项目更广泛的影响在于开发非常通用且可以轻松应用于其他科学的方法。在粗粒度意义上模拟湍流的统计模型可以用作大气环流模型海洋部分的高效且低成本的模拟器。该项目完美契合 NSF-NERC 促进美英研究的计划目标,也是博士后参与前沿国际研究的绝佳机会。涡流解决方案数据和软件将公开。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Linear stability analysis for flows over sinusoidal bottom topography
正弦底部地形流动的线性稳定性分析
  • DOI:
    http://dx.10.1017/jfm.2020.1082
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Davies J
  • 通讯作者:
    Davies J
Dynamically consistent parameterization of mesoscale eddies. Part III: Deterministic approach
中尺度涡流的动态一致参数化。
  • DOI:
    http://dx.10.1016/j.ocemod.2018.04.009
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Berloff P
  • 通讯作者:
    Berloff P
On the stability of tracer simulations with opposite-signed diffusivities
关于具有相反符号扩散率的示踪剂模拟的稳定性
  • DOI:
    http://dx.10.1017/jfm.2022.126
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Haigh M
  • 通讯作者:
    Haigh M
Potential vorticity redistribution by localised transient forcing in the shallow-water model
浅水模型中局部瞬态强迫引起的位涡重新分布
  • DOI:
    http://dx.10.1017/jfm.2018.547
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Haigh M
  • 通讯作者:
    Haigh M
On eddy transport in the ocean. Part I: The diffusion tensor
海洋中的涡流输送.
  • DOI:
    10.1016/j.ocemod.2021.101831
  • 发表时间:
    2021-08-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    M. Haigh;Luolin Sun;J. McWilliams;P. Berloff
  • 通讯作者:
    P. Berloff
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  • 批准号:
    2317938
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 30.6万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
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