Få saker i naturen är så förutsägbara som tidvattnet i haven. Dessa ihållande, kortperiodiska och storskaliga fenomen, som drivs av månens och solens gravitationskraft, syns i nästan alla typer av oceanografiska observationer och satellitobservationer. De har också en direkt inverkan på livsrytmen för miljontals människor och otaliga ekosystem.
Men på senare tid har forskare lagt märke till subtila förändringar i tidvattenmätningarna som inte sammanfaller med förändringar i månens och solens gravitationskraft. Istället tyder insamlad data och teori på att en uppvärmd havsyta kan ligga bakom observationerna.
För att undersöka dessa fenomen har Dr. Michael Schindelegger vid University of Bonn använt superdatorresurser vid Jülich Supercomputing Centre (JSC) för att bättre förstå observationsdata som samlats in mellan 1993-2020, vilket förbättrar noggrannheten i tredimensionella (3D) modeller för havscirkulation i processen.
Forskningen publiceras i tidskriften Communications Earth & Environment.
”Tidvatten maskerar ofta andra potentiellt intressanta och mindre förutsägbara signaler som rör t.ex. den allmänna cirkulationen i havet eller effekterna av klimatförändringar”, förklarar Schindelegger. ”För att kunna dra slutsatser om klimatsignaler från oceanografiska observationer är det också viktigt att vi kan modellera tidvattnet med stor noggrannhet, inklusive dess potentiella förändringar över tid.”
Inre strömmar ökar komplexiteten
Forskare uppskattar att de övre 700 metrarna av havet absorberar cirka 90% av den överskottsvärme som fångas upp i det varmare klimatsystemet. När denna zon av havet värms upp expanderar den också och blir mindre tät, vilket leder till en högre kontrast i vattentäthet jämfört med lägre nivåer av havet som förblir svalare och tätare.
Schindelegger och hans kollegor undersöker särskilt det interaktiva förhållandet mellan ett varmare klimat, havsskiktning som ett mått på densitetskontrasten och två typer av tidvattenströmmar: barotropiskt tidvatten, som hänvisar till den periodiska rörelsen av havsströmmar i samband med gravitationskrafter; och barokliniskt eller internt tidvatten, som uppstår när barotropiskt tidvatten strömmar mot undervattenstopografi, som en ås, vilket gör att vågor av tätare vatten från djupet trycks uppåt i mindre tätt ytvatten.
”Uppvärmningen i den övre delen av havet ökar energiöverföringen från barotropt till baroklint tidvatten, så att tidvattnet i det öppna havet nu förlorar några procent mer tidvattenenergi till interna vågor än för tre decennier sedan”, förklarar Schindelegger. Simuleringar har blivit ett viktigt verktyg för att kunna bedöma hur allvarliga dessa förändringar är och hur de påverkar kustregionerna.
Observationsdata och modellering måste fungera tillsammans
Att observera och modellera tidvatten i havet är inget nytt, och nya data att arbeta med blir tillgängliga varje timme varje dag. Insamlade data nära kusten kan dock vara behäftade med ”brus” och fel, medan datormodeller alltid är förenklade representationer av processer i den verkliga världen. Enligt Schindelegger är det därför absolut nödvändigt att ta hänsyn till både observationsdata och modeller när man testar för tidvattenförändringar.
Att beakta tidvatten i ett mer realistiskt, skiktat hav – inklusive dessa baroklina tidvatten – innebär dessutom att etablerade 2D-havsmodeller skulle behöva utvidgas till att omfatta djup som en tredje dimension och ha en högre horisontell upplösning för att uppnå användbar noggrannhet.
”De första försöken med modellering var begränsade till en havsmodell med ett lager och konstant densitet, som jag till och med kunde köra på en enda processor”, säger Schindelegger. ”Men när jag började undersöka orsakerna till förändringar i tidvattnet, särskilt effekterna av skiktning, blev 3D-modeller av den allmänna cirkulationen nödvändiga.”
Schindelegger berättar att han ägnade cirka fem år åt att gradvis göra modellen mer komplex, men det stod klart att det skulle behövas mer datorkraft för att uppnå den upplösning som krävdes för exakta 3D-modeller. Av den anledningen vände sig Schindelegger och hans kollegor till JSC:s superdator JUWELS.
”Eftersom beräkningsrutnätet även sträcker sig i vertikal riktning har vi cirka 300 miljoner rutnätspunkter för att diagnostisera de relevanta variablerna för tryck, temperatur och salthalt från modellens ekvationer”, säger Schindelegger.
”Vi var tvungna att använda en miljon kärntimmar för att lyckas genomföra projektet. Att distribuera uppgiften till ett stort antal beräkningsnoder var avgörande för att uppnå rimliga körtider och undvika minnesproblem. De resurser som finns tillgängliga på JUWELS utgör den nödvändiga grunden för den här typen av applikationer.”
Förutsägelse av framtida tidvatten
Schindelegger säger att även om tidvattenförändringarna vid ytan hittills är subtila – en minskning på cirka en centimeter under flera decennier vid kusten och ännu mindre i djuphavet – är det fortfarande värt att fortsätta förbättra 3D-modellen tills den med rimlig noggrannhet kan förutsäga hur dessa förändringar i havets skiktning kommer att påverka kustregionerna i framtiden. Speciellt för platser som Mainebukten eller norra Australien, där tidvattnet är utpräglat och möter komplex undervattenstopografi, kan även dessa små förändringar få betydande konsekvenser.
Med fortsatt tillgång till superdatorresurser kommer Schindelegger och hans medarbetare att få tillgång till ett kraftfullt verktyg som komplement till studier av observationsdata. Sammantaget kommer dessa två forskningsmetoder att hjälpa forskare inom geovetenskap att bättre förstå den roll som ett varmare hav spelar för tidvattnet och dess roll i klimatsystemet.
Ytterligare information: Lana Opel et al, A likely role for stratification in long-term changes of the global ocean tides, Communications Earth & Environment (2024). DOI: 10.1038/s43247-024-01432-5
