湍流理论扩展到复杂的大气条件

湍流在天气和气候中起着至关重要的作用，在数值模型中正确表示其影响对于准确的天气预报和气候预测至关重要。然而，描述湍流影响的理论自1950年代概念以来一直没有改变，尽管它不能代表地球大部分陆地表面，特别是在山区和极地地区。因斯布鲁克气象学家Ivana Stiperski现在已经将湍流理论扩展到复杂的大气条件。因此，研究人员为复杂地形上的第一个广义湍流理论铺平了道路。

湍流是地球表面和上覆大气层之间最重要的交换机制。然而，这种机制仍然是经典物理学和数学的最后难题之一。因斯布鲁克大学大气与冰冻圈科学系“大气湍流”研究小组负责人伊万娜·斯蒂珀斯基(Ivana Stiperski)致力于研究山区湍流，自2020年以来，她的团队一直在研究该主题。

“湍流影响着气候、风暴系统、空气污染和冰川融化等多种现象。因此，准确的天气预报和气候预测需要对湍流进行精确描述，而在山区的复杂地形上，这尤其困难，因为人们对复杂地形如何改变湍流知之甚少，而且过去70年没有发生重大进展，“Stiperski解释说。

到目前为止，对大气湍流的理解以及如何将其纳入天气和气候模型一直基于所谓的相似性理论，更具体地说是1954年首次假设的“莫宁-奥布霍夫相似性理论”。然而，这种已有数十年历史的湍流理论假设地球表面是平坦的，水平均匀(即在水平面上具有均匀的特征，例如无限的草原或玉米田)，因此它不能代表地球的大部分陆地表面。这种不正确的湍流表示增加了天气预报和气候预测的不确定性。

复杂地形理论

研究人员的目标是发展一种适用于所有现实大气条件的广义理论，现在已经朝着这个方向迈出了重要的第一步。“大约70%的地球表面的特点是异质的山区结构，或者我们所说的复杂地形，例如蒂罗尔州。在我们的研究中，我们使用大型测量数据集和机器学习技术的独特集合来开发新的相似性关系，“Ivana Stiperski在发表在《物理评论快报》杂志上的研究中描述了这种方法，并强调为编辑的建议。

在她的新理论中，气象学家在计算中包括一个新的关键变量。“在我们的新方法中，我们包括所谓的各向异性，即关于湍流中的能量如何在不同的空间方向上分布的信息。我们表明，到目前为止尚未根据相似性理论检查的这个量编码了驱动湍流的表面和流动条件的复杂性信息，因此可以将相似性理论扩展到复杂的地形。这是一种方法首次在复杂地形中取得成功，它使我们更接近复杂大气湍流的统一理论。

该方法允许在天气、气候和空气污染模型中更准确地表示湍流效应。“这对于理解和预测山区和极地地区的天气和气候预测尤其重要，因为相似性理论在那里经常失败。这些地区特别脆弱，在全球变化下已经经历了前所未有的变暖，因此准确描述进一步发展至关重要，“Ivana Stiperski强调说。