Flowfysik kan hjælpe prognosemænd med at forudsige ekstreme begivenheder

Omkring 1, 000 tornadoer rammer USA hvert år, forårsager milliarder af dollars i skade og dræber i gennemsnit omkring 60 mennesker. Sporingsdata viser, at de bliver stadig mere almindelige i sydøst, og mindre hyppigt i "Tornado Alley, "der strækker sig over de store sletter. Forskere mangler en klar forståelse af, hvordan tornadoer dannes, men en mere presserende udfordring er at udvikle mere præcise forudsigelses- og advarselssystemer. Det kræver en fin balance:Uden advarsler, folk kan ikke ly, men hvis de oplever for mange falske alarmer, de bliver insurerede.

En måde at forbedre tornado -forudsigelsesværktøjer kan være at lytte bedre, ifølge maskiningeniør Brian Elbing ved Oklahoma State University i Stillwater, i hjertet af Tornado Alley. Han mener ikke, at der høres lyde for menneskelige ører, selvom. Så længe siden som i 1960’erne, forskere rapporterede tegn på, at tornadoer udsender signaturlyde ved frekvenser, der falder uden for rækkevidde af menneskelig hørelse. Folk kan høre ned til omkring 20 Hertz - hvilket lyder som en lav rumlen - men en tornados sang falder sandsynligvis et sted mellem 1 og 10 Hertz.

Brandon White, en kandidatstuderende i Elbings laboratorium, diskuterede deres nylige analyser af infrarød signatur af tornadoer på det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics.

Elbing sagde, at disse infralydssignaturer havde virket som en lovende forskningsvej, i hvert fald indtil radar opstod som en frontløberteknologi til advarselssystemer. Akustisk baserede tilgange tog bagsæde i årtier. "Nu har vi gjort mange fremskridt med radarsystemer og overvågning, men der er stadig begrænsninger. Radar kræver målinger af sigtelinjer. "Men sigtelinjen kan være vanskelig i kuperede steder som Sydøst, hvor størstedelen af ​​tornado -dødsfald sker.

Måske er det på tide at revidere disse akustiske tilgange, sagde Elbing. I 2017, hans forskningsgruppe registrerede infralydsudbrud fra en supercelle, der frembragte en lille tornado nær Perkins, Oklahoma. Da de analyserede dataene, de fandt ud af, at vibrationerne begyndte, før tornadoen dannede sig.

Forskere ved stadig lidt om tornadoes væskedynamik. "Til dato har der været otte pålidelige målinger af tryk inde i en tornado, og ingen klassisk teori forudsiger dem, "sagde Elbing. Han ved ikke, hvordan lyden produceres, enten, men at kende årsagen er ikke påkrævet for et alarmsystem. Ideen om et akustikbaseret system er ligetil.

"Hvis jeg tabte et glas bag dig, og det knuste, du behøver ikke vende dig om for at vide, hvad der skete, "sagde Elbing." Denne lyd giver dig en god fornemmelse af dit nærmeste miljø. "Infrarøde vibrationer kan hurtigt rejse over lange afstande, og gennem forskellige medier. "Vi kunne opdage tornadoer 100 miles væk."

Medlemmer af Elbings forskningsgruppe beskrev også et sensorarray til detektering af tornadoer via akustik og præsenterede fund fra undersøgelser af, hvordan infralydsvibrationer bevæger sig gennem atmosfæren. Arbejdet med infralyd -tornadosignaturer blev støttet af et tilskud fra NOAA.

Andre sessioner under mødet i Division of Fluid Dynamics omhandlede på samme måde måder at studere og forudsige ekstreme hændelser på. Under en session om ikke -lineær dynamik, MIT -ingeniør Qiqi Wang besøgte sommerfugleeffekten, et velkendt fænomen inden for væskedynamik, der spørger, om en sommerfugl, der slår med vingerne i Brasilien, kan udløse en tornado i Texas.

Hvad der er uklart er, om sommerfuglvingerne kan føre til ændringer i de mangeårige statistikker over klimaet. Ved at undersøge spørgsmålet beregningsmæssigt i små kaotiske systemer, han fandt ud af, at små forstyrrelser kan, Ja, påvirke langsigtede ændringer, et fund, der tyder på selv små bestræbelser, kan føre til varige ændringer i et systems klima.

I samme session, maskiningeniør Antoine Blanchard, en postdoktor ved MIT, introducerede en smart samplingsalgoritme designet til at hjælpe med at kvantificere og forudsige ekstreme hændelser - som ekstreme storme eller cykloner, for eksempel. Ekstreme hændelser forekommer med lav sandsynlighed, han sagde, og kræver derfor store mængder data, som kan være dyrt at generere, beregningsmæssigt eller eksperimentelt. Blanchard, hvis baggrund er i væskedynamik, ønskede at finde en måde at identificere outliers mere økonomisk. "Vi forsøger at identificere de farlige tilstande ved hjælp af så få simuleringer som muligt."

Den algoritme, han designede, er en slags sort boks:Enhver dynamisk tilstand kan indføres som input, og algoritmen vil returnere et mål for farlighed ved denne tilstand.

"Vi forsøger at finde dørene til fare. Hvis du åbner den pågældende dør, vil systemet forblive i ro, eller vil det gå amok? "spurgte Blanchard." Hvad er tilstande og betingelser - som vejrforhold, for eksempel - at hvis du skulle udvikle dem over tid, kunne det forårsage en cyklon eller storm? "

Blanchard sagde, at han stadig forfiner algoritmen, men håber snart at kunne begynde at anvende den på rigtige data og store eksperimenter. Han sagde også, at det kan have konsekvenser ud over vejret, i ethvert system, der producerer ekstreme hændelser. "Det er en meget generel algoritme."