RESEARCH IN RESIDENCE
Projet BOUM de la SMAI
Toward better simulations of spontaneous stochasticity in geophysical flows
Projet BOUM – Vers une meilleure simulation de la stochasticité spontanée dans les écoulements géophysiques
1 – 5 March, 2027
Participants
Ariane Barlet (Centre Inria de l’Université de Rennes)
Long Li (Institut de Physique de Nice)
In the simulation of geophysical flows, such as oceanic and atmospheric dynamics, resolving all relevant scales is computationally out of reach. Effective models therefore rely on closure strategies to represent unresolved effects in a physically consistent and mathematically sound manner. In the stochastic transport framework, these unresolved turbulent fluctuations are modeled through random perturbations of the resolved flow. In singular regimes, however, such systems may exhibit persistent randomness even in the vanishing-noise limit, a phenomenon known as spontaneous stochasticity. While gradient blow-up is known to play an important role, the mechanisms governing convergence toward this limiting stochastic state remain largely unclear. The main objective of this project is to determine whether multiplicative transport noise can modify the rate of convergence toward the limiting measure. We will study this question using the surface quasi-geostrophic equation, a simplified but physically relevant model for geophysical flows, with the longer-term goal of facilitating the numerical simulation of spontaneous stochasticity. This project will bring together complementary expertise in large-scale flow modelling (L. Li) and small-scale turbulence analysis (A. Barlet), while laying the foundation for a long-term collaboration and future joint work.
Dans la simulation des écoulements géophysiques, tels que les dynamiques océaniques et atmosphériques, il est hors de portée de résoudre numériquement l’ensemble des échelles pertinentes. On recourt donc à des stratégies de fermeture, physiquement cohérentes et mathématiquement fondées, afin de représenter correctement les échelles non résolues de la dynamique. Dans le cadre théorique du transport stochastique, par exemple, ces échelles non résolues sont modélisées au moyen de perturbations aléatoires des échelles résolues. Cependant, dans certains régimes singuliers, ces systèmes peuvent présenter une persistance du caractère aléatoire jusque dans la limite de bruit nul, phénomène connu sous le nom de stochasticité spontanée. Si la divergence des gradients joue notoirement un rôle crucial dans ce processus, les mécanismes régissant la convergence vers ce régime stochastique limite demeurent encore largement méconnus. L’objectif principal de notre projet est de déterminer si un bruit multiplicatif de transport peut modifier la vitesse de convergence vers la mesure limite. Nous étudierons cette question dans le cadre des équations quasi-géostrophiques de surface, qui constituent des modèles simplifiés mais physiquement pertinents pour les écoulements géophysiques. Cette étude pourrait fournir des éléments clés pour faciliter la simulation numérique de la stochasticité spontanée. Elle réunira des expertises complémentaires en modélisation des écoulements à grande échelle (L. Li) et en analyse de la turbulence aux petites échelles (A. Barlet), tout en posant les jalons d’une collaboration durable et de futurs travaux de recherche communs.
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