En videnskabsmand og en supercomputer genskaber en tornado

Med tornadosæsonen nærmer sig hurtigt eller allerede er i gang i sårbare stater i hele USA, nye supercomputersimuleringer giver meteorologer en hidtil uset indsigt i strukturen af ​​uhyrlige tordenvejr og tornadoer. En sådan ny simulering genskaber en tornado-producerende supercelletordenvejr, der efterlod en ødelæggelsesbane over Central Great Plains i 2011.

Personen bag den simulering er Leigh Orf, en videnskabsmand ved Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) ved University of Wisconsin-Madison. Han leder en gruppe forskere, der bruger computermodeller til at afsløre de bevægelige dele inde i tornadoer og supercellerne, der producerer dem. Teamet har udviklet ekspertise til at skabe dybdegående visualiseringer af superceller og skelne mellem, hvordan de dannes og i sidste ende opstår tornadoer.

Arbejdet er især relevant, fordi USA leder det globale tornadotal med mere end 1, 200 touchdowns årligt, ifølge National Oceanic and Atmospheric Administration.

I maj 2011, flere tornadoer rørte ned over Oklahoma -landskabet på kort tid, fire-dages samling af storme. Den ene efter den anden, superceller affødte tragtskyer, der forårsagede betydelige ejendomsskader og tab af liv. Den 24. maj, især en tornado - "El Reno" - registreret som en EF -5, den stærkeste tornado -kategori på Enhanced Fujita -skalaen. Det forblev på jorden i næsten to timer og efterlod en ødelæggelsessti 63 kilometer lang.

Orfs seneste simulering genskaber El Reno -tornadoen, afslører i høj opløsning de talrige "minitornadoer", der dannes ved begyndelsen af ​​hovedtornadoen. Efterhånden som tragskyen udvikler sig, de begynder at smelte sammen, tilføjer styrke til tornadoen og intensiverer vindhastigheder. Til sidst, nye strukturer dannes, herunder det, Orf omtaler som den streamwise vorticity current (SVC).

"SVC består af regnkølet luft, der suges ind i opadgående, der driver hele systemet, "siger Orf." Det menes, at dette er en afgørende del for at opretholde den usædvanligt stærke storm, men interessant nok, SVC får aldrig kontakt med tornadoen. Hellere, det flyder op og omkring det. "

Ved hjælp af observationsdata fra den virkelige verden, forskergruppen var i stand til at genskabe de vejrforhold, der var til stede på stormtidspunktet og være vidne til trinene op til skabelsen af ​​tornadoen. De arkiverede data, taget fra en kortsigtet driftsmodelprognose, var i form af en atmosfærisk lyd, en lodret temperaturprofil lufttryk, vindhastighed og fugtighed. Når den kombineres på den rigtige måde, disse parametre kan skabe de betingelser, der er egnede til tornadodannelse, kendt som tornadogenese.

Ifølge Orf, at producere en tornado kræver et par "ikke-omsættelige" dele, herunder rigelig fugtighed, ustabilitet og vindforskydning i atmosfæren, og en udløser, der flytter luften opad, som en temperatur eller fugtforskel. Imidlertid, selve eksistensen af ​​disse dele i kombination betyder ikke, at en tornado er uundgåelig.

"I naturen, det er ikke ualmindeligt, at storme har det, vi forstår, som alle de rigtige ingredienser til tornadogenese, og så sker der ikke noget, "siger Orf." Stormjagere, der sporer tornadoer, kender naturens uforudsigelighed, og vores modeller har vist sig at opføre sig ens. "

Orf forklarer, at i modsætning til et typisk computerprogram, hvor kode er skrevet for at levere konsistente resultater, modellering på dette kompleksitetsniveau har iboende variation, og på nogle måder finder han det opmuntrende, da den virkelige atmosfære udviser denne variation, også.

Succesfuld modellering kan begrænses af kvaliteten af ​​inputdataene og computernes processorkraft. For at opnå større nøjagtighed i modellerne, at hente data om de atmosfæriske forhold umiddelbart før tornado dannelse er ideel, men det er fortsat en vanskelig og potentielt farlig opgave. Med kompleksiteten af ​​disse storme, der kan være subtile (og i øjeblikket ukendte) faktorer i atmosfæren, der påvirker, om en supercelle danner en tornado eller ej.

Digital løsning af en tornadosimulering til et punkt, hvor detaljerne er fine nok til at give værdifuld information, kræver enorm behandlingskraft. Heldigvis, Orf havde fået adgang til en højtydende supercomputer, specielt designet til at håndtere komplekse computerbehov:Blue Waters-supercomputeren på National Center for Supercomputing Applications ved University of Illinois i Urbana-Champaign

I alt, deres EF-5-simulering tog mere end tre dages driftstid. I modsætning, det ville tage årtier for en konventionel stationær computer at fuldføre denne type behandling.

Ser frem til, Orf arbejder på den næste fase af denne forskning og fortsætter med at dele gruppens resultater med forskere og meteorologer over hele landet. I januar 2017, gruppens forskning blev omtalt på forsiden af ​​Bulletin of the American Meteorological Society.

"Vi har afsluttet EF-5-simuleringen, men vi planlægger ikke at stoppe der, "siger Orf." Vi vil blive ved med at forfine modellen og fortsætte med at analysere resultaterne for bedre at forstå disse farlige og kraftfulde systemer. "