Laboratory investigations of processes in large-scale environmental flows and climate dynamics  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
125024
Type FK
Principal investigator Vincze, Miklós Pál
Title in Hungarian Nagyléptékű környezeti áramlási és klímadinamikai folyamatok kísérleti vizsgálata
Title in English Laboratory investigations of processes in large-scale environmental flows and climate dynamics
Keywords in Hungarian fizikai oceanográfia, klímadinamika, tehetetlenségi-nehézségi hullámok
Keywords in English physical oceanography, climate dynamics, inertial-gravity waves
Discipline
Geophysics, Physics of the Lithosphere, Seizmology (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Ortelius classification: Geophysics
Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Ortelius classification: Climatology
Physics (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Environmental physics
Panel Earth sciences 2
Department or equivalent HUN-REN-ELTE Research Group for Theoretical Physics (Eötvös Loránd University)
Participants Jánosi, Imre Miklós
Starting date 2017-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 10.272
FTE (full time equivalent) 4.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
1) Ekman-rezonanciák modellezése: Az óceán fölött sztochasztikusan irányt váltó szelek hatását vizsgáljuk a mélységi (a víztest belsejében lévő) sebességmezőre. Friss elméleti eredmények szerint előállhatnak bizonyos rezonáns helyzetek a szél általi gerjesztés és a Coriolis-erő hatására tehetetlenségi mozgást végző folyadékrészecskék között. Az elmélet szerint ekkor a vízfelszín-közeli keverési réteg vastagsága jelentősen, akár több nagyságrendnyi mértékben megnövekedhet, jelentősen befolyásolva az óceáni vízkörzés anyagtranszport-folyamatairól alkotott képünket. Célunk e jelenség első laboratóriumi vizsgálata.

2) Nemlineáris sekély hullámok: A laboratóriumban vízfelszíni szolitonok, illetve rétegzett közegekben terjedő belső hullámokat modelleznénk, a cunamik illetve az árapály-keltette óceánaljzati hullámok terjedési tulajdonságainak megértését célozva.

3) Áramlásiállapot-átmenetek a mérsékelt égövi éghajlati rendszer konceptuális modelljeiben:

A mérsékelt-övi légkörzés egy laboratóriumi minimálmodelljében több kísérletsorozat végrehajtását tervezzük. Kísérlet-sokaságok extrémérték-statisztikáit vizsgáljuk majd időben változó hőmérsékleti (fölmelegedés) vagy geometriai (Drake-átjáró kinyílása) peremfeltételek mellett.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
1) Ekman-rezonanciák:
A globális óceáni vízkörzés energetikájának egy máig nyitott kérdése, hogy melyek azok a mechanizmusok, melyek az óceán mélységi rétegét átkeverik. A klasszikus Ekman-féle elmélet szerint (1905) a vízfelszín fölött egyenletesen fújó szél keverő hatása ugyan fontos, ám csak egy felszínközeli, jellemzően mintegy 100 m vastag határrétegre korlátozódik. Az itt kísérletileg igazolni kívánt elméleti és numerikus eredmények szerint a határréteg vastagsága akár “végtelenné” is válhat a szélnyírás időfüggését bevezetve, mely, ha igazolódna, jelentősen átalakíthatná óceáni anyagtranszportról alkotott képünket.

2) Nemlineáris sekély hullámok:
Az óceánban az árapály-keltette belső (a rétegzett víztest belsejében terjedő) hullámok illetve a vízfelszíni cunamihullámok (szolitonok) példák a sekély nemlineáris hullámokra. Célunk ezen hullámok domborzati akadályokkal, függőleges falakkal való kölcsönhatásának (visszaverődésének, megtörésének) vizsgálata.

3) Áramlásiállapot-átmenetek a mérsékelt égövi éghajlati rendszer konceptuális modelljeiben:
A vízzel töltött, differenciálisan fűtött forgó baroklin hullámtartály a nagyskálájú mérsékelt égövi légkörzés meglepően pontos dinamikai modellje. Ezt az elrendezést kívánjuk alkalmazni a légköri hőmérsékletiváltozékonyság válaszát vizsgálva a hőmérsékleti (ill. a Drake-átjáró-kísérleteknél geometriai) peremfeltételek időbeli változtatásásra.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az időfüggő irányú és erősségű, a vízfelszín fölött fújó szelek és az óceán felső rétegének áramlásai közötti rezonancia, amennyiben létezése igazolható, egy fontos részét adhatja a globális óceáni vízkörzés (meglehetősen hiányosan ismert) energiamérlegének. A rezonancia az ún. Ekman-transzport fölerősödésével is járhat, mely az óceáni medencék keleti részén az oldott tápanyagban gazdag friss, mélyebb vízrétegek felszín felé áramlásáért felelős.
Hasonlóképpen fontos az árapálykeltette belső hullámok kísérleti vizsgálata is, hiszen a szél- és sűrűségkülöbség-hajtotta áramlatok mellett ezek felelősek a mélységi rétegekből származó víz elkeveréséért, mely "zárja" a nagy óceáni vízkörzés felszálló ágát.

A szakirodalomban mindmáig nincs konszenzus arról, hogy a globális felmelegedés miképpen befolyásolja az időjárás változékonységét illetve az extrém értékek gyakoriságát globálisan ill. lokálisan. Kísérleti megközelítésünk lehetővé teheti, hogy a földi éghajlati rendszer egy egyszerűsített modelljében szétválasszuk a hosszú távú trendek és a rövidtávú változékonyság hatásait. A tanulságok hasznos üzenetet hordozhatnak a valódi éghajlati rendszer mélyebb megértéséhez is.

Ilyen és hasonló, a forgatott áramlásokra irányuló laboratóriumi vizsgálatok jelenleg az Oxfordi Egyetemen dolgozó Peter Read laborjában, a marseille-i IRPHE kutatóintézetben (Patrice Le Gal vezetésével) valamint Uwe Harlander irányításával a cottbusi Brandenburgi Műszaki Egyetemen (BTU) zajlanak. A belsőhullám-topográfia kölcsönhatások legismertebb kísérleti kutatócsoportja a texasi Austin Egyetemén működik, Harry Swinney vezetésével.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Első kísérletsorozatunk az óceán felszíne fölött többé-kevésbé szabályos időközönként irányt váltó part menti szelek és a legfelső, a hullámzás által jól "kevert" vízréteg kapcsolatát vizsgálja. Az elméleti eredmények szerint elképzelhetőek olyan, ún. "rezonanáns" helyzetek, amikor a széllökések időkülönbsége megegyezik a Foucault-ingához hasonlóan, lassú, "tehetetlenségi körmozgást" végző felszíni folyadékrészecskék körbeérési idejével (mely minden földrajzi szélességen más-más). Ilyenkor, az elmélet szerint a keveredési réteg vastagsága megsokszorozódhat, kapcsolatot teremtve a mélységi és felszíni áramlatok között, jelentősen befolyásolva az óceáni vízkörzést. Célunk az elmélet e jóslatainak legelső kísérleti vizsgálata.

Második sorozatunkban a vízfelszíni cunami-hullámok, illetve a (felszínen láthatatlan), árapály keltette ún. belső hullámok terjedési tulajdonságait vizsgáljuk. A fő vizsgálni kívánt kérdés, hogy különböző tengeraljzati akadályok miképpen befolyásolják ezeknek, a globális óceáni vízkörzés szempontjából kulcsfontosságú hullámoknak a viselkedését.

Harmadik kísérletsorozatunkban egy laborléptékű, forgatott, sekély folyadékrétegben modellezzük a mérsékelt öv éghajlatát. Vizsgálataink arra fókuszálnak, hogy egy lassú, "klímaváltozás"-szerű időbeli változás az áramlásokat hajtó hőmérsékleti peremfeltételekben miképpen módosítja a "modell-időjárás" változékonyságát és előrejelezhetőségét egy ilyen rendszerben.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
1) Ekman resonances:
Winds blowing above the sea surface that change direction in a stochastic manner affect the sub-surface velocity field. Recent theoretical results imply that it is possible to reach a certain resonance between the characteristic timescale of the wind forcing and the Coriolis frequency. Then the thickness of the top layer of the sea can increase markedly (up to several orders of magnitude), which - if indeed happens in nature - can affect the matter and momentum transport pathways in the ocean. We intend to perform the first experimental analysis of this problem.

3) Shallow-water nonlinear waves:
We intend to model water surface solitary waves and internal waves within stratified systems, aiming to understand the propagation and reflection properties of tsunami waves and tide-driven internal waves in the bulk of the ocean.

3) Conceptual models of flow regime transitions in the mid-latitude planetary circulation:
In an experimental minimal model of the mid-latitude atmospheric circulation we intend to conduct various series (ensembles) of experiments. We shall explore extreme value and record statistics of measured temperature records in the presence of temporally changing boundary conditions in terms of temperature (imitating `global warming') or geometry (opening of the `Drake passage').

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The three proposed series of laboratory experiments address the following open problems:

1) Ekman resonances:
One of the main open problems of the energetics of global ocean circulation is the nature of the processes that mix the deep ocean. According to the classic theory of Ekman (1905), constant wind stress at the water surface yields significant mixing of the seawater in an approximately 100 m thick boundary layer ("mixing layer") at the top of the water column. However, very recent results have demonstrated that for time-dependent wind forcing the mixing layer can penetrate orders of magnitudes larger depths than in the classic case.

2) Shallow-water nonlinear waves:
The tidally excited internal waves (inside the bulk of the fluid) in the ocean, and surface tsunami (solitary) waves are well-known examples for relatively shallow, yet nonlinear waves. We intend to investigate the interaction of such waves with topographic obstacles and their reflection from vertical walls.

3) Conceptual models of flow regime transitions in the mid-latitude planetary circulation:
The sideways-convective flow in a laboratory-scale rotating differentially heated water-filled annulus is a surprisingly accurate minimal model of mid-latitude climate. We intend to investigate this model of atmospheric variability subjected to nonstationary thermal boundary conditions and changing geometrical boundary conditions (Drake passage opening). The main objective here is to better understand through such conceptual models, how the reorganization of the large-scale circulation is affecting local and global temperature variability.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The theoretically suggested resonance phenomenon between the temporally fluctuationg wind stress and the flows in the upper layer of the ocean, if verified experimentally, may have an important impact on our understanding of the (largely debated) energy budget of global ocean circulation. The resonance can yield amplified Ekman transport, which is responsible for the upward "pumping" of nutrient-rich cold deep water from the bottom layers at the Eastern shores of the ocean basins.

The experimental investigation of tidal internal waves is also of relevance in this context, since besides the wind- and buoyancy-driven flows, internal waves are the most important contributors to the mixing of deep ocean waters and largely contribute to the upward `branches' of the overturning ocean circulation.

There is an ongoing debate in the literature about how the present global warming is connected to the occurrence of extremes in local and globally averaged temperatures. Our investigations of a simplified model of Earth's climate system may provide useful hints on how to a consequence of the shifting mean or an inherent change within the dynamics of the fluctuations themselves is also involved.

Somewhat similar laboratory experiments of rotating flows are being carried out by the group of Peter Read at the University of Oxford, in the IRPHE laboratory ar Marseille (by Patrice Le Gal), and at the Brandenburg Technical University of Cottbus, Germany, under the supervision of Uwe Harlander. Probably the most renowned experimental group dealing with internal wave-topography interactions is that of Harry Swinney, based at the University of Texas at Austin.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The first series of experiments will investigate the interaction of more-or-less periodically changing shore winds and the wellmixed top layer of the ocean. According to theoretical results there may exist certain 'resonant' situations, where the time difference between subsequent wind bursts matches the revolution period of water parcels dragged around by the Coriolis force in a Foucault's pendulum-like manner, moving along a so-called "inertial circle". If this equality holds, the thickness of the top mixing layer of the ocean may increase abruptly, stretching down to the deep ocean, markedly affecting the background circulation. We intend to perform the very first experimental analysis of the predictions of this theory.

The second series will investigate ocean-surface tsunami waves and tidally excited, so-called internal waves that are almost undetectable from the sea surface. The main question to be investigated is how these waves of paramount importance from the global ocean circulation point of view, are affected by different types of topographic obstacles at the seashore.

The third series of experiments models mid-latitude atmospheric dynamics in a laboratory-scale differentially heated rotating shallow layer water tank. We intend to investigate the effects of a slow "global warming"-like change of the thermal boundary conditions on the variability and predictability of the model "weather" in the system.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatási projektünkben elsősorban laboratóriumi kísérleti minimálmodellek segítségével vizsgáltuk bolygónk klímarendszerének több kulcsfontosságú elemét a folyamatok fizikai hátterének jobb megérdése céljából. Rezonancia-jellegű, jelentős anyag- és energiatranszporttal járó óceáni folyamatokat tártunk fel mind a szélhajtotta felszínközeli áramlások, mind a belső hullámok dinamikájában. Megalkottuk egy 34 millió évvel ezelőtti klímaváltozás valószerű modelljét, feltárva az Antarktisz eljegesedésének fő kiváltó mechanizmusait. Demonstráltuk, hogy a mérsékelt égövi időjárás hőmérsékleti szélsőségeinek statisztikai tulajdonságai hogyan változhatnak a jelenlegi klímaváltozás hatására, mely a sarkvidék-egyenlítő hőkontraszt csökkenésével jár együtt. Kísérletekkel és óceáni mérési adatokkal mutattuk be a háromdimenziós vízi örvények perzisztens anyagtartó jellegét.
Results in English
In our research project we have addressed the underlying basic physical processes of several key elements of Earth’s climate system using experimental minimal models. We have described resonance-like oceanic phenomena characterized by significant water and energy transport both in the subsystem of wind-driven near-surface ocean currents and in internal gravity wave dynamics. We have created a minimal model of the paleoclimatic events that resulted in the glaciation of Antarctica 34 million years ago, and uncovered the key mechanisms responsible for this marked transition. We have discussed how the ongoing climate change which coincides with decreasing equator-to-pole temperature contrast in the Northern hemisphere may affect the statistical properties of extreme temperature fluctuations in the mid-latitudes. We have described the persistent material-holding property of three dimensional water vortices in laboratory experiment and ocean field data.
Full text https://otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125024
Decision
Yes





 

List of publications

  
M Vincze, T Bozóki: Experiments on barotropic–baroclinic conversion and the applicability of linear n-layer internal wave theories, Experiments in Fluids 58 (10), 136 (2017), 2017
T Von Larcher, S Viazzo, U Harlander, M Vincze, A Randriamampianina: Instabilities and small-scale waves within the Stewartson layers of a thermally driven rotating annulus, Journal of Fluid Mechanics 841, 380-407 (2018), 2018
C Rodda, ID Borcia, P Le Gal, M Vincze, U Harlander: Baroclinic, Kelvin and inertia-gravity waves in the barostrat instability experiment, Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics, 1-32 (2018) (DOI: 10.1080/03091929.2018.1461858), 2018
T Tél, L Kadi, IM Jánosi, M Vincze: Experimental demonstration of the water-holding property of three-dimensional vortices, EPL (Europhysics Letters) 123 (4), 44001 (2018), 2018
Vincze, M., Fenyvesi, N., Klein, M., Sommeria, J., Viboud, S., Ashkenazy, Y.: Evidence for wind-induced Ekman layer resonance based on rotating tank experiments, EPL (Europhysics Letters) 125(4), 44001, 2019
Bozóki, T., Czelnai, L., Horicsányi, A., Nyerges, A., Pál, A., Pálfy, J., Vincze, M.: Large-scale ocean circulation in the Southern Hemisphere with closed and open Drake Passage–A laboratory minimal model approach, Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 160, 16-24, 2019
Jánosi, I. M., Vincze, M., Tóth, G., Gallas, J. A.: Single super-vortex as a proxy for ocean surface flow fields, Ocean Science, 15(4), 2019
Jánosi, I. M., D. Silhavy, J. Tamás, and P. Csontos: Bulbous perennials precisely detect the length of winter and adjust flowering dates, https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.16740, 2020
Jánosi, I. M., Á. Baki, M. W. Beims, and J. A. C. Gallas: Bottom-to-top decomposition of time-series by smoothness-controlled cubic splines: Uncovering distinct freezing-melting dynamics between the Arctic and the Antarctic, Phys. Rev. Res., Vol. 2, accepted for publication,, 2020
K. Medjdoub, I. M. Jánosi, M. Vincze: Laboratory investigations on the resonant feature of "dead water" phenomenon, Experiments in Fluids, (2020) 61:6, 2020
T. Tél, T. Bódai, G. Drótos, T. Haszpra, M. Herein, B. Kaszás, M. Vincze,: The theory of parallel climate realizations: A new framework of ensemble methods in a changing climate - an overview, Journal of Statistical Physics (2020) 179:1496–1530 (, 2020
T. Tél, M. Vincze and I. M. Jánosi: Vortices capturing matter: a classroom demonstration,, Phys. Educ. 55 (2020) 015007 (6pp), 2020
K Medjdoub, IM Jánosi, M Vincze: Laboratory experiments on the influence of stratification and a bottom sill on seiche damping, Ocean Science, 17(4), 997-1009, 2021
IM Jánosi, K Medjdoub, M Vincze: Combined wind-solar electricity production potential over north-western Africa, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 151, 111558, 2021
Janosi, I. M., H. Kantz, Jason A. C. Gallas, M. Vincze.: Global Coarse-Grained Mesoscale Eddy Statistics Based on Integrated Kinetic Energy and Enstrophy Correlations, OCEAN SCIENCE 18 (5): 1361–1375, 2022
Harlander, U., I. D. Borcia, M. Vincze, and C. Rodda.: Probability Distribution of Extreme Events in a Baroclinic Wave Laboratory Experiment, FLUIDS 7 (8), 2022
Vincze, M., T. Bozóki, M. Herein, I. D. Borcia, U. Harlander, A. Horicsányi, A. Nyerges, C. Rodda, Pál., J. Pálfy: The Drake Passage Opening from an Experimental Fluid Dynamics Point of View, SCIENTIFIC REPORTS 11 (1), 2021
Rodda, Costanza, U. Harlander, M. Vincze: Jet stream variability in a polar warming scenario–a laboratory perspective, Weather and Climate Dynamics, 3, 937–950, 2022



Back »