Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Natur

Forbedring af vejrsimuleringer gennem øget generalitet

En ekstratropisk cyklon over det amerikanske midtvest. Kredit:NASA Earth Observatory, CC BY 2.0

Moderne vejrudsigter og klimaundersøgelser er stærkt afhængige af computersimuleringer, der implementerer fysiske modeller. Disse modeller skal lave sammenhængende forudsigelser i stor skala, men også indeholde nok små detaljer til at være relevante og handlingsrettede. I betragtning af vejrsystemernes og klimaets enorme fysiske kompleksitet, realistisk stokastisk simulering af vandmiljøhændelser i rum og tid, såsom nedbør, er en væsentlig udfordring.

En statistisk tilgang er et naturligt alternativ til at beskrive vejrsystemernes og klimaets store variation. Statistiske modeller er nemmere at bruge og kræver ikke massive beregningsressourcer og giver således videnskabsmænd og beslutningstagere operationelle, letanvendelige værktøjer til at studere presserende klimarelaterede problemer. Ikke desto mindre, statistiske modeller gør ofte forenklede antagelser.

Selvom disse antagelser kan gøre modelleringsopgaven mere håndterbar, de fører også til yderligere divergens fra de fysiske systemer, de er beregnet til at repræsentere. Papalexiou et al. beskrive forbedringer af den såkaldte Complete Stochastic Modeling Solution (CoSMoS)-ramme, der introducerer væsentligt øget generalitet for en lang række hydromiljøsimuleringer.

En vigtig tilføjelse er støtte til rumligt varierende hastighedsfelter. Disse hastighedsfelter styrer bevægelsen af ​​væskepakker, såsom luft eller vand, på tværs af det simulerede område. Sådanne gradienter er ekstremt almindelige i naturen; udvidelsen af ​​luft, når den opvarmes, for eksempel, skaber et udad divergerende hastighedsmønster. Tilsvarende rotationen af ​​en orkan eller tornado kræver et hastighedsfelt, der krummer i rummet.

En animation, der simulerer cyklonisk udvikling. Kredit:Papalexiou et al., 2021

Forfatterne beskriver også håndteringen af ​​anisotropi, hvor egenskaberne ved den fysiske proces kan variere med ikke blot afstand fra et referencepunkt, men også retning. Ved at kombinere anisotropi med rumligt varierende hastighedsfelter, en simulering kan reproducere komplekse meteorologiske fænomener, såsom storme eller den roterende og spiralformede struktur af en orkan.

Efter at have introduceret disse fremskridt, forfatterne demonstrerer deres potentiale gennem en række numeriske eksperimenter. Disse simuleringer illustrerer den brede vifte af flydende strukturer og evolutionsmønstre, som en sådan platform kan levere. Alligevel, der er stadig udfordringer, herunder de høje beregningsomkostninger ved at simulere store strukturer i høj opløsning og behovet for yderligere modeludvikling med henblik på simuleringer i global skala.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Eos, vært for American Geophysical Union. Læs den originale historie her.




Varme artikler