Forskere fanger ekstreme bølger med modellering i højere opløsning

Surfere er ikke de eneste mennesker, der prøver at fange store bølger. Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) forsøger at gøre det, også, i hvert fald i bølgeklimaprognoser.

Ved hjælp af årtiers globale klimadata genereret med en rumlig opløsning på cirka 25 kilometer i kvadrat, forskere var i stand til at fange dannelsen af ​​tropiske cykloner, også omtalt som orkaner og tyfoner, og de ekstreme bølger, de genererer. De samme modeller, når de køres med opløsninger på omkring 100 kilometer, savnede de tropiske cykloner og de store bølger op til 30 meter høje.

Deres resultater, offentliggjort i 16. februar-udgaven af Geofysiske forskningsbreve , demonstrere vigtigheden af ​​at køre klimamodeller i højere opløsning. Bedre forudsigelser af, hvor ofte ekstreme bølger vil ramme, er vigtige for kystbyer, militæret, og industrier, der er afhængige af shipping og offshore olieplatforme. Og, selvfølgelig, for surfere.

"Det er velkendt, at for at studere tropiske cykloner ved hjælp af simuleringer, modellerne skal køre i høj opløsning, " sagde undersøgelsens hovedforfatter og postdoc Ben Timmermans. "Størstedelen af ​​eksisterende modeller, der bruges til at studere det globale klima, køres ved opløsninger, der er utilstrækkelige til at forudsige tropiske cykloner. Simuleringerne i vores undersøgelse er de første globale datasæt med lang varighed, der bruger en opløsning på 25 kilometer. Det er også første gang, en undersøgelse specifikt har undersøgt virkningen af ​​opløsningsforøgelse for havbølger på global klimatologisk skala."

De andre forfattere til denne undersøgelse er Dáith Stone, Michael Wehner, og Harinarayan Krishnan. Alle forfattere er videnskabsmænd i Berkeley Labs Computational Research Division (CRD).

Zoomer ind for at opdage orkaner

Klimamodeller fungerer ved at simulere luftudveksling, vand, og energi mellem gitterets "kasser". I nutidens avancerede klimamodeller, disse kasser er typisk 100 til 200 kilometer brede. Det detaljeringsniveau er godt nok til at fange dannelsen og bevægelsen af ​​midlatitude storme, sagde forskerne, fordi sådanne systemer har tendens til at være ret store.

I modsætning, tropiske cykloner har en tendens til at dække et mindre område. Mens det samlede fodaftryk af en orkan kan være bredt, en orkans øje kan være meget kompakt og veldefineret, bemærkede forskerne.

"Problemet med den 100-kilometer opløsning er, at den går glip af nøgledetaljer fra orkanerne og tropiske cykloner, som klart er relevante for generering af ekstreme bølger, " sagde Stone. "Men at gå til et 25-kilometer opløsningsdatasæt er beregningsmæssigt udfordrende. Det kræver 64 gange flere beregningsressourcer end en 100 kilometers simulering."

Undersøgelsen var afhængig af dataknusende kraft fra National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en videnskabelig computerbrugerfacilitet finansieret af DOE Office of Science og baseret på Berkeley Lab.

Forskerne kørte klimamodellen Community Atmosphere Model version 5 (CAM5) med data indsamlet i trin på tre timer ved en lav opløsning på 100 kilometer og med en høj opløsning på 25 kilometer. De fandt ud af, at simuleringerne med høj opløsning omfattede tropiske cykloner, hvor de lavopløselige ikke gjorde det.

Knuser data for at fange store bølger

For at se om cyklonerne havde en effekt på bølger, de kørte derefter globale bølgemodeller ved begge opløsninger. De så ekstreme bølger i højopløsningsmodellen, som ikke optrådte i lavopløsningsmodellerne.

"Orkaner er vanskelige ting at modellere, " sagde Stone. "Vi har vist vigtigheden af ​​at bruge et datasæt med høj opløsning til at producere orkaner. Men karakteristika ved orkaner kan ændre sig med klimaet. Folk laver fremskrivninger af ændringer i havbølger i en fremtid, varmere verden. Det er ikke klart, om opløsningen på 25 kilometer er tilstrækkelig til at fange alle de processer, der er involveret i udviklingen af ​​en orkan. Men vi ved godt, at det er bedre end 100 kilometer."

Mens yderligere højopløsningssimuleringer af fremtiden er på vej, forskerne var i stand til at tage et første kig på mulige forhold i slutningen af ​​det 21. århundrede. Wehner bemærkede, at de største bølger på Hawaii forventes at blive væsentligt større i en meget varmere fremtidig verden.

Forskerne tilføjede, at denne undersøgelse kun så på gennemsnit af vindgenererede bølger. Engangs "useriøse" eller "freak" bølger kan ikke gengives i denne slags modeller, og store bølger som tsunamier er meget forskellige, da de skyldes seismologisk aktivitet, ikke vinden.

Dataene fra denne undersøgelse vil blive gjort frit tilgængelige til brug for det bredere videnskabelige samfund.

"På samme måde som vejrmønstre er en del af klimaet, havbølgemønstre er også en del af 'bølge' klimaet, "sagde Timmermans." Havbølger er relevante for samspillet mellem havet og atmosfæren, som påvirker planetens klima som helhed."