Energy Transfers in Atmosphere and Ocean

این کتاب تلاش‌های اخیر را توصیف می‌کند که تخصص بین‌رشته‌ای را در مرکز تحقیقات مشترک "انتقال انرژی در جو و اقیانوس" (TRR-181)، که توسط بنیاد تحقیقات آلمان (DFG) تامین شده است، ترکیب می‌کند. انتقال انرژی بین سه رژیم دینامیکی - تلاطم در مقیاس کوچک، امواج گرانشی داخلی و حرکت متعادل زمین شناسی - برای چرخه انرژی اتمسفر و اقیانوس اساسی است. با این وجود، آنها هنوز درک و کمیت ضعیفی دارند و هنوز به اندازه کافی در مدل های آب و هوایی امروزی نشان داده نشده اند.

از آنجایی که فعل و انفعالات بین رژیم‌های دینامیکی در نهایت کوچک‌ترین مقیاس‌ها را از طریق طیف وسیعی از فرآیندهای پیچیده به بزرگترین مقیاس‌ها مرتبط می‌کند، درک این تعاملات برای ساخت مدل‌های جو و اقیانوس و پیش‌بینی آب و هوای آینده ضروری است. برای این منظور، TRR 181 تخصص در ریاضیات کاربردی، هواشناسی و اقیانوس شناسی فیزیکی را ترکیب می کند.

این کتاب مروری بر موضوعات خاص ارائه‌شده توسط TRR 181 ارائه می‌کند، از

- مروری بر سلسله‌مراتب منسجمی از مدل‌ها با استفاده از مقیاس‌بندی و تقریب‌های ثابت، و آشکار کردن همیلتونی اساسی ساختار
- اشتقاق و اجرای سیستماتیک پارامترهای تصادفی و پراکندگی پس زمینه
- کاوش در اتلاف پارامترهای جریان متعادل یا گردابی در مقیاس بزرگ و پارامترهای گردابی اقیانوس. و
- مطالعه ای در مورد شکست و اختلاط امواج گرانشی، برهمکنش امواج با جریان متوسط ​​و طبقه بندی، برهمکنش های موج-موج و پارامترهای امواج گرانشی

به موضوعاتی با ماهیت عددی تر مانند اختلاط و اتلاف کاذب طرح‌های فرارفت و شبیه‌سازی عددی مستقیم امواج سطحی در فصل مشترک هوا و دریا.

در TRR 181، موضوعات فرآیندمحور ارائه شده در اینجا با یک ترکیب عملیاتی گرا با تمرکز بر دو مدل آب و هوایی که در حال حاضر در آلمان توسعه می‌یابند، تکمیل می‌شوند. به این ترتیب، هدف TRR 181 کمک به کاهش سوگیری ها و افزایش دقت مدل های جو و اقیانوس و در نهایت بهبود مدل های آب و هوا و پیش بینی های اقلیمی است.

This book describes a recent effort combining interdisciplinary expertise within the Collaborative Research Centre “Energy transfers in atmosphere and ocean” (TRR-181), which was funded by the German Research Foundation (DFG). Energy transfers between the three dynamical regimes – small-scale turbulence, internal gravity waves and geostrophically balanced motion – are fundamental to the energy cycle of both the atmosphere and the ocean. Nonetheless, they remain poorly understood and quantified, and have yet to be adequately represented in today’s climate models.

Since interactions between the dynamical regimes ultimately link the smallest scales to the largest ones through a range of complex processes, understanding these interactions is essential to constructing atmosphere and ocean models and to predicting the future climate. To this end, TRR 181 combines expertise in applied mathematics, meteorology, and physical oceanography.

This book provides an overview of representative specific topics addressed by TRR 181, ranging from

- a review of a coherent hierarchy of models using consistent scaling and approximations, and revealing the underlying Hamiltonian structure
- a systematic derivation and implementation of stochastic and backscatter parameterisations
- an exploration of the dissipation of large-scale mean or eddying balanced flow and ocean eddy parameterisations; and
- a study on gravity wave breaking and mixing, the interaction of waves with the mean flow and stratification, wave-wave interactions and gravity wave parameterisations

to topics of a more numerical nature such as the spurious mixing and dissipation of advection schemes, and direct numerical simulations of surface waves at the air-sea interface.

In TRR 181, the process-oriented topics presented here are complemented by an operationally oriented synthesis focusing on two climate models currently being developed in Germany. In this way, the goal of TRR 181 is to help reduce the biases in and increase the accuracy of atmosphere and ocean models, and ultimately to improve climate models and climate predictions.