Турбулентность играет существенную роль в погоде и климате, и правильное представление ее эффектов в численных моделях имеет решающее значение для точных прогнозов погоды и климатических прогнозов. Однако теория, описывающая эффект турбулентности, не изменилась с момента ее создания в 1950-х годах, несмотря на то, что она не является репрезентативной для большей части земной поверхности, особенно над горами и полярными регионами. Метеоролог из Инсбрука Ивана Стиперски теперь распространила теорию турбулентности на сложные атмосферные условия. Таким образом, исследовательница прокладывает путь к созданию первой обобщенной теории турбулентности над сложным рельефом.

Турбулентность является наиболее важным механизмом обмена между поверхностью Земли и вышележащей атмосферой. Однако этот механизм остается одной из последних великих загадок классической физики и математики. Ивана Стиперски, руководитель исследовательской группы "Атмосферная турбулентность" на факультете атмосферных и криосферных наук Университета Инсбрука, посвятила свою работу изучению турбулентности над горами, и с 2020 года ее команда работает над этой темой.

"Турбулентность влияет на такие разнообразные явления, как климат, штормовые системы, загрязнение воздуха и таяние ледников. Поэтому точные прогнозы погоды и климата требуют точного описания турбулентности, а над сложным рельефом горных регионов это особенно трудно, поскольку очень мало известно о том, как сложный рельеф изменяет турбулентность, и за последние 70 лет не произошло никакого существенного прогресса", - объясняет Стиперски.

До сих пор понимание атмосферной турбулентности и ее учета в моделях погоды и климата основывалось на так называемой теории подобия, а точнее на "теории подобия Монина-Обухова", впервые сформулированной в 1954 году. Однако эта теория турбулентности, существовавшая десятилетия, предполагает, что поверхность Земли плоская и горизонтально однородная (т.е. имеет однородные характеристики по горизонтали, как, например, бесконечные луга или кукурузные поля), и поэтому она не является репрезентативной для большей части земной поверхности. Такое неправильное представление турбулентности вносит неопределенность в прогнозирование погоды и климатические прогнозы.

Цель исследователя - разработать обобщенную теорию, действительную для всех реалистичных атмосферных условий, и первый важный шаг в этом направлении уже сделан. "Около 70% поверхности Земли характеризуется неоднородной, горной структурой, или тем, что мы называем сложным рельефом, как, например, здесь, в Тироле. В нашем исследовании мы используем уникальный ансамбль больших наборов данных измерений и методы машинного обучения для разработки новых отношений сходства", - описывает подход Ивана Стиперски в исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters и выделенном как Предложение редактора.

В своей новой теории метеоролог включает в расчеты новую ключевую переменную. "В нашем новом подходе мы включаем так называемую анизотропию, то есть информацию о том, как энергия в турбулентности распределяется в различных пространственных направлениях. Мы показываем, что эта величина, которая до сих пор не рассматривалась в свете теории подобия, кодирует информацию о сложности поверхности и условий течения, которые вызывают турбулентность, и поэтому позволяет распространить теорию подобия на сложный рельеф. Это первый случай успешного применения подхода к сложной местности, и он приближает нас к единой теории сложной атмосферной турбулентности".

Подход позволяет более корректно представлять эффекты турбулентности в моделях погоды, климата и загрязнения воздуха. "Это особенно важно для понимания и прогнозирования погоды и климата в горных и полярных регионах, поскольку теория подобия там регулярно дает сбои. Эти регионы особенно уязвимы и уже испытывают беспрецедентное потепление в условиях глобальных изменений, поэтому точное описание дальнейшего развития событий жизненно необходимо", - подчеркивает Ивана Стиперски.