الأرض والمناخ
الطقس والمناخ والمحيطات والجليد والزلازل والفيضانات والحرائق: الكوكب مجموعةً من معادلات مقترنة.
الكوكب نظام مقترن من الغلاف الجوي والمحيط والجليد والصخر والمحيط الحيوي. تقطّع هذه المحاكيات الكوكب إلى خلايا شبكة وتكاملها إلى الأمام زمنياً. والتنبؤ بالطقس أكثر استخداماتها شيوعاً.
نماذج منظومة الأرض
الغلاف الجوي والمحيط والجليد البحري واليابسة ودورة الكربون مقترنة على شبكة عالمية وتُشغَّل لقرون.
السؤال الذي تجيب عنه: إلى أي درجة يسخن الكوكب في ظل مسار معيّن من الانبعاثات؟
يُغفل: لا تزال السحب تُمثَّل بتمثيلات وسيطية، وهي أكبر مصدر منفرد للخلاف بين النماذج.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي حصة كبيرة من حاسوب فائق وطني، لأشهر.منذ: 1969 أول نموذج مناخي مقترن بين المحيط والغلاف الجوي لمانابي وبراين.في شجرة المحاكيات: محيط وغلاف جوي مقترنان
المناخ القديم
النماذج نفسها تعمل على العصور الجليدية والزمن العميق، بقارات ومدارات وأجواء مختلفة.
السؤال الذي تجيب عنه: ما الذي أطلق العصور الجليدية، وماذا يقول الماضي عن حساسية المناخ؟
يُغفل: يُعاد بناء السواحل القديمة والجليد والنباتات من أدلة شحيحة، ثم تُعامَل كمدخلات معلومة.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي مماثل لتشغيل مناخي حديث، حصة من حاسوب فائق لأشهر.منذ: 1977 أول محاكاة بنموذج الدوران العام لمناخ العصر الجليدي لمانابي وهان.
الصفائح الجليدية ومستوى البحر
أنهار جليدية وصفائح جليدية تتدفق وتذوب وتتفتت في البحر.
السؤال الذي تجيب عنه: ما مدى سرعة زيادة الصفائح الجليدية لمستوى البحر خلال هذا القرن؟
يُغفل: فيزياء كيفية تكسّر الجليد وانزلاقه المفاجئ ما زالت مُلتقَطة بضعف.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي، من أيام إلى أسابيع لكل قرن مُحاكى.منذ: 1976 النموذج الحاسوبي المبكر بالفروق المحدودة لصفيحة جليدية لدى ماهافي.
نماذج التقييم المتكامل
الطاقة والاقتصاد واستخدام الأراضي والمناخ مرتبطة في نموذج واحد، يُستخدم لمقارنة مسارات السياسات.
السؤال الذي تجيب عنه: أي مزيج من الطاقة واستخدام الأرض يُبقي الاحترار دون حد معين، وبأي كلفة؟
يُغفل: يختزل الاقتصاد والمناخ كلاهما في حفنة من المعادلات، فيعتمد الجواب بشدة على معدل الخصم المختار.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي حاسوب محمول؛ يستغرق تشغيل كامل من ثوانٍ إلى دقائق.منذ: 1992 نموذج DICE لنورداوس، وهو أول نموذج مناخي-اقتصادي واسع الاستخدام.
التقليص المكاني للمناخ الإقليمي
ناتج نموذج مناخ عالمي منخفض الدقة يُستخدم لتوجيه نموذج إقليمي أدق فوق بلد واحد أو سلسلة جبال.
السؤال الذي تجيب عنه: ماذا يعني الاحترار العالمي فعلاً لطقس هذا الوادي؟
يُغفل: يرث تحيّزات أي نموذج عالمي يتداخل فيه، لكن بدقة أعلى.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود وطني، أسابيع لإسقاط إقليمي واحد.منذ: 1989 نماذج مناخية إقليمية متداخلة مبكرة تُشغَّل على منطقة محدودة.
الهندسة الجيولوجية الشمسية
نماذج مناخية تُشغَّل مع تدخل متعمد، مثل جسيمات عاكسة تُحقن في الغلاف الجوي العلوي، لمعرفة ما سيتغير.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن لتقليل ضوء الشمس الوارد عمدًا أن يعوّض الاحترار، وما آثاره الجانبية؟
يُغفل: لم يُنفَّذ تدخل من هذا النوع على نطاق واسع، فتعتمد كل نتيجة على مدى تمثيل النموذج لهباء لم يُرصد قط في نشر كهذا.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي حصة كبيرة من حاسوب فائق وطني، لأشهر.منذ: 1992 تجارب مبكرة بنماذج المناخ لاختبار تدخل افتراضي على نمط البراكين.
نماذج الأرض والعالم
نماذج مناخية مقترنة بتمثيلات ديناميكية بسيطة للسلوك البشري، بحيث تستجيب الانبعاثات والسياسة والتغير الاجتماعي لحالة الكوكب.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تتفاعل نقاط التحوّل الاجتماعي وتغذيات المناخ الراجعة على مدى قرون؟
يُغفل: القواعد السلوكية فرضيات، وتفاصيل المناخ المكانية منخفضة الدقة.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي نماذج مخفَّضة التعقيد تُشغَّل في مجموعات كبيرةمنذ: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) المصدر
النماذج العالمية التي تحلّل السحب مباشرة
نماذج غلاف جوي شبكتها دقيقة بما يكفي، بضعة كيلومترات، لتمثّل الحمل العميق صراحةً عبر الكرة الأرضية كلها.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن محاكاة أنظمة السحب المدارية مباشرة بدل تمثيلها وسيطيًا؟
يُغفل: التشغيلات قصيرة، ولا تزال الاضطرابات والفيزياء الدقيقة للسحب مقرَّبة.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي أسابيع من الزمن المحاكى على أكبر الآلاتمنذ: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) المصدرفي شجرة المحاكيات: نموذج عالمي يحلّ السحب
التمثيل الوسيطي الفائق
يُدمج نموذج صغير عالي الدقة يحلّل السحب مباشرة داخل كل عمود من نموذج عالمي منخفض الدقة ليحلّ محل مخطط الحمل المعتاد.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تستطيع فيزياء السحب الصريحة تحسين نموذج مناخي دون شبكة عالمية دقيقة كاملة؟
يُغفل: النماذج المضمَّنة صغيرة ولا تتخاطب مع الأعمدة المجاورة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تضاعف نماذج السحب الثنائية الأبعاد المضمَّنة الكلفة مرات كثيرةمنذ: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) المصدر
إسناد الأحداث المتطرفة
مجموعات كبيرة من تشغيلات المناخ، مع التأثير البشري ودونه، تعطي احتمالات موجة حر أو فيضان أو عاصفة بعينها في كل عالم.
السؤال الذي تجيب عنه: كم غيّرت الانبعاثات البشرية احتمال وقوع هذا الحدث بالذات؟
يُغفل: تعتمد النتائج على مدى قدرة النموذج على إعادة إنتاج نوع الحدث بذلك المقياس.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي مئات إلى آلاف من أعضاء المجموعةمنذ: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) المصدر
مجموعات الفيزياء المضطربة بحوسبة المتطوعين
آلاف النسخ من نموذج مناخي، لكل منها معاملات فيزيائية مختلفة قليلاً، تعمل على حواسيب منزلية متبرَّع بها.
السؤال الذي تجيب عنه: ما مدى اتساع نطاق الاحترار المتوافق مع فيزياء نماذج غير مؤكدة؟
يُغفل: بنية النموذج ثابتة؛ لا تتغير إلا المعاملات.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي عشرات الآلاف من تشغيلات النموذجمنذ: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) المصدر
المجموعات الكبيرة بشروط ابتدائية متعددة
يُشغَّل نموذج مناخي واحد عشرات المرات من بدايات مختلفة قليلًا لفصل التغيّر المفروض عن التقلب الداخلي.
السؤال الذي تجيب عنه: أي جزء من اتجاه إقليمي هو ضجيج المناخ نفسه؟
يُغفل: يلتقط التباين داخل نموذج واحد، لا الفروق بين النماذج.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي عشرات من التشغيلات المقترنة تمتد قرونًامنذ: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) المصدر
محاكيات مناخ متعلَّمة
شبكة عصبية مدرَّبة على ناتج نماذج المناخ تدفع الغلاف الجوي إلى الأمام عقودًا أو قرونًا بجزء ضئيل من الكلفة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع بديل مدرَّب أن يعيد إنتاج إحصاءات المناخ لعقود بسرعة؟
يُغفل: يرث تحيّزات النموذج الذي دُرّب عليه، وقد يفشل خارج المناخات التي رآها.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي تدريب على أرشيفات النماذج، ثم تشغيلات طويلة رخيصةمنذ: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) المصدر
التوائم الرقمية لمنظومة الأرض
نماذج مفصّلة عالية الدقة للكوكب تُحدَّث باستمرار، تُغذّى بالرصد وتُبنى للإجابة عن أسئلة «ماذا لو» للمستخدمين.
السؤال الذي تجيب عنه: ماذا سيحدث لمنطقة ما لو وقع قرار أو حدث معين؟
يُغفل: التوأم أمين بقدر أمانة نماذجه وبياناته، والسيناريوهات التفاعلية محدودة.
تعمل على: نحو 1019 FLOPS تقريبي نماذج عالمية بدقة كيلومتر مع الاستيعابمنذ: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) المصدر
نموذج مناخي إشعاعي-حملي
عمود واحد من الغلاف الجوي في توازن بين الإشعاع والحمل الحراري، يُستخدم لمعرفة مقدار احترار كوكب عند تغيّر ثاني أكسيد الكربون أو الرطوبة.
السؤال الذي تجيب عنه: كم يسخن عمود من الهواء حين يتضاعف غاز الدفيئة فيه؟
يُغفل: لا رياح فيه ولا غيوم ولا نقل محيطي، فيعطي احترارًا مرجعيًا لا توقّعًا.
تعمل على: نحو 104 FLOPS تقريبي عمود أحادي البعد، سريع على حاسوب محمول.منذ: 1967 الاتزان الحراري للغلاف الجوي بتوزيع معيّن للرطوبة النسبية، لمانابي وويثرالد. المصدر
نموذج مناخي لميزان الطاقة
تُختزل الأرض إلى أحزمة عرض تمتص الحرارة وتبعثها وتتبادلها بالنقل، بما يكفي لإظهار التغذية الراجعة للجليد والألبيدو والتحول بين الحالات المناخية.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن لتفاقم غطاء جليدي جامح أن يجمّد الكوكب كله؟
يُغفل: الصورة تتجاهل الديناميكا والطقس، فهي تُعلم لكنها لا تتنبأ.
تعمل على: نحو 103 FLOPS تقريبي حفنة من المعادلات؛ ثوانٍ على أي حاسوب.منذ: 1969 النموذج المناخي العالمي لسيلرز القائم على الميزان الطاقي لنظام الأرض والغلاف الجوي. المصدر
نمذجة الغطاء النباتي العالمي الديناميكي ودورة الكربون
تُحاكى النباتات والتربة وتبادلها للكربون عبر العالم، مع أنواع نباتية تتنافس وتنتقل مع تغيّر المناخ.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من الكربون ستمتصه اليابسة أو تطلقه مع ارتفاع حرارة المناخ؟
يُغفل: أنواع النباتات مجمَّعة في بضع فئات وظيفية، والتغذية الراجعة للمغذيات والاضطراب خشنة.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي تشغيلات عالمية متعددة القرون، غالبًا على شبكة خشنة.منذ: 1996 نموذج المحيط الحيوي المتكامل لفولي وزملائه لعمليات سطح اليابسة وميزان الكربون الأرضي وديناميكا النباتات. المصدر
محاكاة مقترنة لدورة الكربون والمناخ
نموذج مناخي يحوي دورة الكربون في اليابسة والمحيط، فيمكن للاحترار أن يغيّر ما تمتصه الأرض وأن يغذّي نفسه بنفسه.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيحوّل الاحترار اليابسة والمحيط من ماصّين للكربون إلى مصدرين له؟
يُغفل: تختلف استجابة كربون اليابسة اختلافًا واسعًا بين النماذج بسبب افتراضات التربة والنبات.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي تشغيلات مناخية مقترنة متعددة القرون على حاسوب فائق.منذ: 2000 كوكس وبيتس وجونز وسبال وتوتردل، تسارع الاحترار العالمي بسبب التغذية الراجعة لدورة الكربون في نموذج مناخي مقترن. المصدر
نمذجة النظام البيئي للمحيط والكيمياء الجيوحيوية
مغذيات وعوالق وفتات تُنقل وتدور عبر المحيط، للتنبؤ بالإنتاجية والكربون المنقول إلى الأعماق.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من الكربون تحمله حياة المحيط إلى قاع البحر؟
يُغفل: مجموعات العوالق بضع حجرات مجمَّعة بمعدلات مُلاءَمة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي وحدة كيميائية حيوية جيولوجية ضمن نموذج للدوران العام في المحيطات.منذ: 1990 النموذج القائم على النيتروجين لفاشام ودوكلو وماكيلفي لديناميكا العوالق في الطبقة المختلطة من المحيط. المصدر
تمثيل وسيطي لما دون الشبكة بالتعلّم
شبكة عصبية مدرَّبة على نموذج عالي الدقة يحلّل السحب مباشرة تحلّ محل القواعد المكتوبة يدويًا للعواصف والسحب الأصغر من أن يلتقطها نموذج مناخي عالمي منخفض الدقة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع نموذج مناخي منخفض الدقة أن يُحسن السحب الصغيرة بتعلّمها من نموذج أدق؟
يُغفل: قد تنجرف الشبكة إلى حالات غير مستقرة أو غير فيزيائية حين يخرج المناخ عن الظروف التي دُرّبت عليها.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تدريب على مجموعة صغيرة من المحاكيات الدقيقة، ثم استخدام رخيص داخل النموذج المناخي.منذ: 2018 تمثيل راسب وبريتشارد وجنتين بالتعلم العميق للعمليات دون الشبكية في نموذج مناخي. المصدر
التنبؤ العددي بالطقس
الغلاف الجوي المرصود اليوم يُتقدَّم بحسابه زمنياً من ساعات إلى أيام، عادة على هيئة مجموعة من نقاط بداية مختلفة قليلاً.
السؤال الذي تجيب عنه: هل ستمطر هنا يوم الخميس، وما مدى تأكدنا؟
يُغفل: تنهار المهارة بعد نحو عشرة أيام، مهما دقّت الشبكة.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي حاسوب فائق في مركز وطني للطقس، بضع نسب مئوية منه لساعات.منذ: 1950 أول تنبؤ عددي عند تشارني وفيورتوفت وفون نيومان.في شجرة المحاكيات: أول توقع بالحاسوب
طقس متعلَّم آليًا
شبكات عصبية دُرّبت على عقود من الطقس الماضي، تنتج توقعات في ثوانٍ بدل ساعات.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع مقلّد متعلَّم أن يتنبأ بالدقة نفسها التي تتنبأ بها الفيزياء التي تدرّب عليها؟
يُغفل: يتعلم أنماط الطقس الماضي، فيتعثر أمام الحدث المتطرف الذي لم يره من قبل.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي وحدة GPU واحدة رفيعة المستوى؛ تنبؤات في ثوانٍ بدل ساعات.منذ: 2022 أولى نماذج الطقس المتعلَّمة التي طابقت مهارة التنبؤ القائمة على الفيزياء.
الأعاصير المدارية
الأعاصير المدارية بدقة عالية: مساراتها وشدتها وأمطارها.
السؤال الذي تجيب عنه: أين ستضرب العاصفة اليابسة، وما قوتها؟
يُغفل: العين وجدار العين لا يزالان أصغر مما تستطيع معظم النماذج تحليله جيداً.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود في مركز وطني للتنبؤ، يُشغَّل لكل عاصفة نشطة.منذ: 1969 النموذج العددي المبكر لأويياما لتطور إعصار.
جودة الهواء وتشتته
ملوّثات ودخان ورماد بركاني تحملها الرياح وتمزجها وتحوّلها كيميائيًا.
السؤال الذي تجيب عنه: أين يتجه عمود الدخان، وهل الهواء آمن للتنفس أو للطيران عبره؟
يُغفل: قوائم جرد الانبعاثات، وهي المُدخل الذي يعتمد عليه التنبؤ كله، كثيرًا ما تكون قديمة أو مقدَّرة.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي محطة عمل أو عنقود صغير، ساعات لكل حدث تلوث.منذ: 1970 نماذج غاوسية محوسبة مبكرة لأعمدة التلوث من المداخن.
التنبؤ الموسمي
مجموعة تشغيلات نموذج بطول مناخي، تبدأ من محيط اليوم وغلافه الجوي، تستهدف احتمالات موسم كامل لا أي يوم بعينه.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيكون هذا الشتاء أدفأ أم أغزر مطراً من المتوسط؟
يُغفل: لا يستطيع أن يقول كيف سيكون الطقس في يوم بعينه، بل كيف تتغير الاحتمالات.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي حاسوب فائق في مركز وطني للتنبؤ، مجموعة من التشغيلات كل موسم.منذ: 1986 تنبؤات موسمية ديناميكية مبكرة بنماذج مقترنة بالمحيط.
العواصف الحملية الشديدة
عاصفة رعدية واحدة أو خلية عملاقة، تُحَلّ حتى مقياس صعودها وهبوطها، لمعرفة هل ستولّد إعصارًا قُمعيًا أو تُسقط بَرَدًا كبيرًا.
السؤال الذي تجيب عنه: هل ستُنتج هذه العاصفة إعصاراً قمعياً، وأين؟
يُغفل: يحتاج إلى شبكة دقيقة بما يكفي لرؤية إعصار قمعي، وهذا مكلف جدًا لتشغيله في كل مكان قد تتشكل فيه عاصفة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود وطني، ساعات لعاصفة واحدة بدقة عالية جدًا.منذ: 1975 نماذج حاسوبية ثلاثية الأبعاد مبكرة لعاصفة رعدية واحدة.
التنبؤ الجوي التوليدي بالمجموعات
يأخذ نموذج انتشار عيّنات من مستقبلات جوية كثيرة محتملة للأسبوعين المقبلين، ويعطي احتمالات لكل متغير على النطاق العالمي.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع نموذج متعلَّم أن يوفر عدم يقين تنبؤ معايَرًا بكلفة قليلة؟
يُغفل: مرتبط ببيانات التحليل المُعاد، ولا يقدّم ضمانًا فيزيائيًا للحالات القصوى النادرة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تدريب على عقود من إعادة التحليل، دقائق لكل عضو في المجموعةمنذ: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) المصدر
التنبؤ الجوي بالمجموعات
تنبؤ يُشغَّل مرات كثيرة من حالات بداية مختلفة قليلًا، فيُظهر التباين مدى عدم اليقين في الطقس ومدى احتمال كل نتيجة.
السؤال الذي تجيب عنه: ما مدى الثقة بتوقّع الطقس، وماذا قد يحدث بدلًا منه؟
يُغفل: اضطرابات الحالة الابتدائية لا تلتقط خطأ النموذج إلا جزئياً، فيكون الانتشار ضيقاً في الغالب.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عشرات من التنبؤات العالمية كل يوم، كل منها تشغيل كبير.منذ: 1974 المهارة النظرية لتنبؤات مونت كارلو لدى ليث. المصدر
إعادة التحليل الجوي
نموذج تنبؤ حديث ثابت يُشغَّل على عقود من الرصد السابق، فيمزجها في سجل متسق للغلاف الجوي بلا فجوات.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف كانت الرياح ودرجات الحرارة والضغوط في كل مكان وزمان في الماضي؟
يُغفل: تغيّرات نظام الرصد عبر الزمن تترك اتجاهات اصطناعية في السجل.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي عقود من دورات الاستيعاب على حاسوب فائق.منذ: 1996 مشروع إعادة التحليل لـ NCEP/NCAR لمدة 40 عامًا، أنجزه كالناي وزملاؤه. المصدر
محاكاة الدوامات الكبيرة للطبقة الحدّية الجوية
أدنى كيلومتر من الغلاف الجوي، حيث تخلط الدوامات المضطربة الحرارة والرطوبة والملوثات، مع تحليل الدوامات الكبيرة ونمذجة الصغيرة.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تحمل الدوّامات المضطربة الحرارة والرطوبة صعودًا من الأرض؟
يُغفل: تبادل السطح والخلط دون مقياس الشبكة يُمثَّلان تمثيلاً وسيطياً، ما يحدّ من الدقة قرب الأرض.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي بضعة كيلومترات من النطاق بدقة عشرات الأمتار.منذ: 1972 التحقيق العددي لديردورف في الطبقات الحدّية الكوكبية المتعادلة وغير المستقرة. المصدر
المحاكاة العالمية التي تحلّل العواصف مباشرة
نموذج غلاف جوي لكوكب كامل بدقة بضعة كيلومترات، فتظهر عناقيد العواصف الرعدية والعواصف المدارية دون تمثيل وسيطي للحمل الحراري.
السؤال الذي تجيب عنه: ماذا يفعل الغلاف الجوي حين تُحلَّل العواصف بدل تقريبها؟
يُغفل: تبقى ميكروفيزياء السحب والاضطراب دون بضعة كيلومترات ممثَّلة وسيطيًا، والتشغيلات أقصر من أن تدرس المناخ.
تعمل على: نحو 1019 FLOPS تقريبي أسابيع على أكبر الآلات لبضعة أشهر محاكاة.منذ: 2008 النموذج الجوي غير الهيدروستاتيكي العشروني السطوح لساتوه وزملائه للمحاكاة العالمية المحلّلة للسحب. المصدر
انبعاث الغبار المعدني ونقله
رياح ترفع غبار الصحراء وتحمله عبر البحار وتودعه، لمعرفة أثره في الإشعاع ومغذيات المحيط وجودة الهواء.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من غبار الصحراء يدخل الهواء وإلى أين يذهب؟
يُغفل: تعتمد عتبات الانبعاث على خصائص التربة والسطح التي رُسمت خرائطها رسمًا سيئًا.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي وحدة غبار داخل نموذج جوي على مدى سنوات.منذ: 1994 نموذج تيغن وفونغ للغبار المعدني في الغلاف الجوي: المصادر والنقل والسماكة الضوئية. المصدر
نمذجة توازن طاقة السطح الحضري
شوارع وأسطح وجدران تُعامَل كأنها وادٍ يتبادل الحرارة والرطوبة والزخم مع الهواء، لتوقّع جزر الحرارة الحضرية واحتياجات تبريد المباني.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا المدينة أحرّ من الريف المحيط بها؟
يُغفل: تُختزل المدن إلى أودية مثالية، فيقرَّب تفصيل المباني وحرارة المرور.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي مخطط وادٍ ضيق ضمن نموذج جوي فوق منطقة حضرية.منذ: 2000 المخطط الفيزيائي لماسون لميزانية الطاقة الحضرية في نماذج الغلاف الجوي. المصدر
نمذجة الغلاف الحراري والأيوني
الغلاف الجوي العلوي بين 100 و600 كيلومتر، تسخّنه أشعة الشمس والجسيمات، مع رياح وتيارات كهربائية تغيّر سحب الأقمار الاصطناعية والإشارات اللاسلكية.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يغيّر النشاط الشمسي الغلاف الجوي العلوي وانتشار الموجات الراديوية؟
يُغفل: الحد السفلي والطاقة من الأعلى مفروضان من بيانات متفرقة.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محاكاة للغلاف الجوي العلوي مقترنة على مدى أيام من طقس الفضاء.منذ: 1988 نموذج الدوران العام المقترن للثرموسفير والأيونوسفير لروبل وريدلي وريتشموند وديكنسون. المصدر
دوران المحيط
تيارات ودوامات وحرارة وملح تتحرك في محيطات العالم.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن أن تتباطأ تيارات الانقلاب العظمى في الأطلسي؟
يُغفل: الدوامات التي تخلط الحرارة والكربون أصغر في معظمها من الشبكة، لذا يجب تمثيل أثرها تمثيلاً وسيطياً.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود كبير، أسابيع لتشغيل يمتد عقودًا.منذ: 1969 أول نموذج حاسوبي لبراين لدوران المحيط العالمي.
التسونامي والعواصف البحرية
أمواج تثيرها الزلازل أو العواصف، تعبر المحيط وتصعد على الساحل.
السؤال الذي تجيب عنه: إلى أي ارتفاع سيصل الماء، وأي الشوارع تغرق أولًا؟
يُغفل: تُبسَّط الدفاعات الساحلية والصرف عادةً إلى ما دون دقة اندفاع الموج على الساحل نفسه بكثير.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل؛ دقائق لتشغيل إنذار ساحلي.منذ: 1969 تجارب عددية مبكرة لأيدا لنمذجة تسونامي.
الأنهار والفيضانات
مطر يهطل على حوض تجميع، يتسرب أو يجري إلى الجداول والأنهار والسهول الفيضية.
السؤال الذي تجيب عنه: ما حجم الفيضان الذي تسببه هذه العاصفة، وأين؟
يُغفل: التربة واستخدام الأرض تُحسب متوسطاتهما على امتداد مستجمع المياه، فيختفي الحقل أو الوادي الذي يفيض فعلاً.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي حاسوب محمول؛ يستغرق تشغيل مستجمع مائي دقائق.منذ: 1966 نموذج ستانفورد للجريان السطحي من الأمطار عند كراوفورد ولينسلي.
المياه الجوفية
ماء يتحرك ببطء عبر التربة والصخر في الخزانات الجوفية.
السؤال الذي تجيب عنه: إلى متى يمكننا ضخّ هذه الطبقة الجوفية قبل أن تجفّ الآبار؟
يُغفل: تُرسم خصائص الصخور والتربة تحت السطح من آبار تبعد مئات الأمتار عن بعضها، فيُستنتج معظم الخزان الجوفي.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي حاسوب محمول أو محطة عمل؛ من دقائق إلى ساعات لكل طبقة جوفية.منذ: 1968 نموذج الطبقة الجوفية المبكر بالفروق المحدودة لبيندر وبريدهوفت.
جليد البحر
جليد طافٍ على سطح المحيط يتشقق ويتكدس ويتجه ويذوب تحت الرياح والأمواج والدفء.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من المحيط المتجمد الشمالي سيبقى مغطى بالجليد في نهاية الصيف؟
يُغفل: تعامل حقلاً غير متجانس من ألواح جليد متشققة ومتموجة كأنه صفيحة متصلة ملساء.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي أو وطني، أسابيع مقترنة بتشغيل محيطي.منذ: 1969 نماذج حاسوبية مبكرة للجليد البحري المتجه في القطب الشمالي.
التنبؤ بأمواج المحيط
رياح تهبّ فوق ماء مفتوح، تولّد الأمواج الطويلة والمتقطعة وتوجّهها، وتُتتبَّع لتوقع ارتفاع الموج واتجاهه للسفن والسواحل.
السؤال الذي تجيب عنه: ما مدى هيجان البحر هنا غدًا؟
يُغفل: أداؤه ضعيف عند أشدّ القمم انحدارًا وانكسارًا، وهي الأهم للسلامة البحرية.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود في مركز وطني للتنبؤ، يُشغَّل عدة مرات في اليوم.منذ: 1956 تنبؤ عددي مبكر بالأمواج بعد طرق التنبؤ بالموج زمن الحرب.
نمذجة غمر الفيضانات
ماء من نهر أو عاصفة ينتشر عبر سهل فيضي على شبكة تضاريس، لرسم العمق والامتداد لأغراض التأمين والتخطيط.
السؤال الذي تجيب عنه: أي الشوارع والحقول تغمرها المياه في فيضان؟
يُغفل: دقة التضاريس ومخطط الجريان الداخل هما ما يهيمن على الخطأ، لا الطرائق العددية.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي نماذج المياه الضحلة أو النقطية ثنائية الأبعاد لحوض نهري.منذ: 2000 نموذج بيتس ودي رو البسيط القائم على النقاط الشبكية لمحاكاة غمر الفيضانات. المصدر
نمذجة الدوران الساحلي وفي مصبات الأنهار
المد والجزر والأنهار والرياح تحرّك الماء والملح والرواسب عبر الخلجان والمصبّات على شبكة تتبع التضاريس.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يمتزج الماء بفعل المدّ والأنهار على امتداد ساحل؟
يُغفل: أخطاء الخلط صغير النطاق وقياس أعماق القاع تحدّ من الدقة قرب الشاطئ.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي نموذج إقليمي ثلاثي الأبعاد بتشغيلات تمتد سنة.منذ: 1987 وصف بلومبرغ وميلور لنموذج دوران محيطي ساحلي ثلاثي الأبعاد. المصدر
نمذجة الحطام البحري والانجراف اللاغرانجي
جسيمات افتراضية تحملها تيارات محيطية محاكاة أو مرصودة لمعرفة أين تذهب اللدائن العائمة أو النفط أو اليرقات.
السؤال الذي تجيب عنه: أين تنتهي اللدائن العائمة القادمة من ساحل؟
يُغفل: تأثير الرياح وانجراف الأمواج وغرق الجسيمات أو تفتتها معروفة بضعف.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي ملايين الجسيمات تُنقل عبر سنة من تدفق المحيط.منذ: 2012 أصل بقع نفايات المحيط وديناميكاها وتطورها من العوّامات السطحية المرصودة لدى فان سيبيل وإنغلاند وفرويلاند. المصدر
محاكاة مكامن النفط والغاز
نفط وغاز وماء يتدفق عبر مسام مكمن صخري نحو الآبار، لتخطيط الحفر والتنبؤ بكمية ما يمكن استخراجه.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من النفط سيعطي حقل ما، وأين ينبغي أن تُحفر الآبار؟
يُغفل: تُستنتج خصائص الصخر بين الآبار من بيانات متفرقة، فعدم اليقين عادةً أكبر من الأرقام.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي تدفق متعدد الأطوار في نموذج جيولوجي من ملايين الخلايا.منذ: 1955 الحل العددي للمعادلات التفاضلية المكافئية والإهليلجية لبيسمان وراكفورد، أساس محاكيات المكامن المبكرة. المصدر
التعديل الإيزوستاتي الجليدي وبصمات مستوى سطح البحر
ارتداد قشرة الأرض حين تذوب الصفائح الجليدية وتعيد المحيطات توزيع مياهها، لتوقّع تغير مستوى سطح البحر إقليمياً ومجال الجاذبية.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا ينخفض مستوى البحر في بعض الأماكن مع ذوبان الجليد ويرتفع في أخرى؟
يُغفل: لزوجة الوشاح تحت الصفائح محدودة التحديد ومتفاوتة من منطقة إلى أخرى.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي نماذج للأرض اللزجة المرنة تُحَل على كرة.منذ: 1976 حساب فاريل وكلارك لمستوى سطح البحر بعد العصر الجليدي. المصدر
محاكاة تخزين ثاني أكسيد الكربون الجيولوجي
ثاني أكسيد الكربون المحقون ينتشر ويرتفع ويذوب في تكوين صخري ملحي، مع تتبّع احتجازه بالغطاء الصخري والخاصية الشعرية والتفاعلات المعدنية على مدى قرون.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيبقى الغاز تحت الأرض، وإلى أين يذهب؟
يُغفل: الصخر تحت البئر لا يُعرف إلا من بضع آبار ومسوح، لذا يُخمَّن النفاذ والصدوع بشك واسع.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي أسابيع على عنقود حاسوبي لنموذج بحجم حوض على مدى آلاف السنين.منذ: 2002 المقارنة بين البرامج العددية للتخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون التي أجراها مختبر لورنس بيركلي. المصدر
النقل التفاعلي في باطن الأرض
ماء يحمل مواد كيميائية عبر الصخر أو التربة بينما تذوب المعادن وتترسب وتتبادل الأيونات، يُحَل مع الجريان معاً.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تغيّر كيمياء طبقة جوفية أو مستودع نفايات وقنواته بعضها بعضًا مع الوقت؟
يُغفل: تُطبَّق معدلات التفاعل المقيسة في المختبر على صخر لا تُعرف مساحة سطحه التفاعلية في باطن الأرض.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي أيام على عنقود لموقع حقلي ثلاثي الأبعاد.منذ: 1985 النموذج المتصل لليختنر للتفاعلات الكيميائية المقترنة ونقل الكتلة في الأنظمة الحرمائية. المصدر
الحمل الوشاحي وتكتونيات الصفائح
صخر حارّ يزحف داخل الكوكب على مدى مئات ملايين السنين، حاملًا الصفائح التي فوقه.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا للأرض صفائح تكتونية بينما لا تملكها جاراتها؟
يُغفل: يشغّل ملايين السنين المحاكاة دفعة واحدة، فلا يستطيع أن يُظهر زلزالًا واحدًا أيضًا.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي، أسابيع لتشغيل طويل واحد.منذ: 1974 أول نموذج عددي للحمل الوشاحي لماكنزي وروبرتس وفايس.
الزلازل والموجات الزلزالية
صدوع تتمزق وموجات تنتشر عبر القشرة لتهز الأرض.
السؤال الذي تجيب عنه: ما شدة اهتزاز هذه المدينة إذا انكسر ذلك الصدع؟
يُغفل: نقطة بداية التمزق والخشونة الدقيقة للصدع ما زالتا مفترضتين لا معروفتين مسبقاً.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود وطني أو جامعي، أيام لتمزق صدع كبير.منذ: 1968 النموذج المبكر لألترمان وكارال بالفروق المنتهية لموجات الزلازل.
الانفجارات البركانية وتدفقات الحمم
صهارة ترتفع وتثور وتنساب نزولًا كحمم أو رماد أو سحب حارة سريعة.
السؤال الذي تجيب عنه: أي قرى تقع في المسار إذا ثار البركان؟
يُغفل: لا يستطيع التنبؤ بوقت بدء الثوران، بل بما يحدث بعد بدئه.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل أو عنقود صغير، ساعات لكل سيناريو.منذ: 1980 نماذج حاسوبية مبكرة لحمم تتدفق إلى الأسفل من فوهة.
تطوّر التضاريس
أنهار تنحت الوديان، وسفوح تزحف، وسواحل تتآكل على مدى آلاف إلى ملايين السنين.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف اكتسب هذا المشهد الطبيعي شكله؟
يُغفل: يضغط ملايين السنين في تشغيل واحد، فتُمحى أي عاصفة أو انهيار صخري منفرد.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل؛ أيام لمشهد طبيعي بعمر مليون سنة.منذ: 1991 نموذج ويلغوس وزملائه المبكر لتطور المناظر الطبيعية المحسوب.
انتشار حرائق الغابات
نار تتحرك عبر الوقود والتضاريس والرياح، خلية بخلية.
السؤال الذي تجيب عنه: أين سيكون خط النار بعد ست ساعات؟
يُغفل: الرياح، أكبر محرك لسلوك الحريق الحقيقي، تُبسَّط عادة إلى متوسط ثابت.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل أو حاسوب محمول؛ دقائق لجبهة حريق منتشرة.منذ: 1972 معادلات انتشار الحريق لروثرميل، التي حُوسبت سريعًا للتنبؤ.
الانهيارات الأرضية وتدفقات الحطام
منحدر من تربة أو صخر أو طين ينهار ويتحرك إلى الأسفل، يُتتبَّع وهو يتسارع وينتشر ويدفن التضاريس تحته.
السؤال الذي تجيب عنه: ما المسافة التي سيقطعها هذا المنحدر بعد انهياره، وبأي سرعة؟
يُغفل: لحظة انهيار المنحدر فعلاً ما زالت أصعب توقعاً مما يحدث بعد انهياره.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل أو عنقود صغير، ساعات لكل سيناريو منحدر.منذ: 1980 نماذج حاسوبية مبكرة لمدى انزلاق منحدر ينهار.
الخطر الزلزالي القائم على الفيزياء
تحلّ محاكاة تمزّق الزلازل وانتشار الموجات محلّ قواعد التوهين التجريبية لإعطاء الاهتزاز عند كل موقع.
السؤال الذي تجيب عنه: ما مدى شدة اهتزاز الأرض هنا لكل تمزّق محتمل؟
يُغفل: يحتاج إلى نموذج سرعة معروف، ويصعب حلّ الترددات العالية.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي سيناريوهات تمزّق كثيرة، كل منها محاكاة موجية ثلاثية الأبعادمنذ: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) المصدر
محاكاة الدينامو الجيولوجي
حمل السائل الحديدي في لب الأرض يولّد المجال المغناطيسي ويحافظ عليه، بما فيه انقلاباته العشوائية.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يصنع لبّ الأرض مجالها المغناطيسي، ولماذا ينقلب؟
يُغفل: قيم اللزوجة والتوصيلية بعيدة جداً عن الحقيقية، لذا فالجريان أنعم بكثير مما هو داخل الأرض.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي أشهر على حاسوب فائق لدينامو ما زال بعيدًا عن ظروف تشبه الأرض.منذ: 1995 المحاكاة الذاتية الاتساق ثلاثية الأبعاد لانقلاب المجال الجيومغناطيسي عند غلاتزماير وروبرتس. المصدر
عكس الموجة الزلزالية الكاملة
موجات زلزالية تُمرَّر مرارًا عبر نموذج تجريبي للأرض يُعدَّل حتى تتطابق الموجات الاصطناعية والمسجَّلة، لتصوير بنية الصخور.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تبدو الصخور تحتنا كما رأتها الموجات التي عبرتها؟
يُغفل: قد يعلق العكس عند حلول خاطئة ما لم يكن النموذج الابتدائي قريباً من الحل.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي آلاف محاكاة الموجات داخل حلقة تحسين.منذ: 1984 عكس تارانتولا لبيانات الانعكاس الزلزالي بالتقريب الصوتي. المصدر
انتشار الموجات الزلزالية بالعناصر الطيفية
موجات زلزالية تنتشر عبر نموذج ثلاثي الأبعاد للقشرة أو للأرض كلها بعناصر عالية الرتبة تتبع التضاريس والطبقات.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تنتقل الموجات عبر الأرض الحقيقية غير المنتظمة؟
يُغفل: نماذج الأرض غير مؤكدة في البنية الصغيرة والتوهين، فالدورات القصيرة أقل موثوقية.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي عمليات تشغيل للأرض كلها تحلّل فترات من بضع ثوانٍ.منذ: 1998 طريقة العناصر الطيفية لكوماتيتش وفيلوت للاستجابة الزلزالية لبنى ثنائية وثلاثية الأبعاد. المصدر
محاكاة دورة الزلازل
صدع يتحمّل ضغطًا ببطء من حركة الصفائح، باحتكاك يلتصق ثم ينزلق، يُحاكى عبر دورات كثيرة من التراكم الهادئ والتمزق المفاجئ.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تتكرر الزلازل على صدع واحد على مدى قرون؟
يُغفل: قانون الاحتكاك مستخرج في المختبر ومستقرأ إلى أعماق وسرعات لم تُقَس قط.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي دورات صدع بمعدل وحالة على مدى آلاف السنين.منذ: 1986 عدم استقرار زلزال القشرة لدى تسي وريس بدلالة تغير خصائص الانزلاق الاحتكاكي مع العمق. المصدر
نماذج فهارس الزلازل العشوائية
تتابعات زلزالية اصطناعية تُولَّد من نموذج إحصائي ترفع فيه كل هزة احتمال الهزات الارتدادية، لتوقع التجمّع والخطر.
السؤال الذي تجيب عنه: ما احتمال حدوث هزّات ارتدادية بعد زلزال كبير؟
يُغفل: يلتقط النموذج التجمّع الإحصائي لكن لا فيزياء فيه لإجهاد الصدع.
تعمل على: نحو 106 FLOPS تقريبي الفهارس العشوائية قليلة التكلفة، ومجموعة طويلة منها تعمل على حاسوب مكتبي.منذ: 1988 النماذج الإحصائية لأوغاتا لحدوث الزلازل وتحليل البواقي للعمليات النقطية. المصدر
نموذج سطح اليابسة
تبادل الماء والحرارة وثاني أكسيد الكربون بين التربة والنباتات والهواء، مكتوباً مكوّناً سطحياً لنماذج الغلاف الجوي والمناخ.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تتحكم النباتات والتربة في الحرارة والماء المتنقلين بين الأرض والهواء؟
يُغفل: النباتات موصوفة ببضعة معاملات لكل خلية، وحركة الماء في التربة مبسّطة جداً.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي عمود أحادي البعد لكل خلية شبكية داخل النماذج المناخية.منذ: 1986 نموذج المحيط الحيوي البسيط لسيلرز ومينتس وسود ودالكر لاستخدامه داخل نماذج الدوران العام. المصدر
نماذج الحريق والغلاف الجوي المقترنة
تُحَلّ جبهة الحريق والريح التي تولّدها معًا، فتسحب حرارة الحريق الهواء وتغيّر التدفق، وهذا بدوره يغيّر كيفية انتشار الحريق وقذفه الجمر والدخان.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يعيد الحريق تشكيل الرياح التي تغذّيه؟
يُغفل: يُمثَّل الاحتراق والوقود بقوانين معدل بسيطة، فيُلتقط السلوك المتطرف مثل حرائق التيجان والقفز بالجمر تقريبيًا فقط.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي أيام على عنقود لحريق كبير واحد بدقة عشرات الأمتار.منذ: 1996 نموذج كلارك وجنكينز وكوين المقترن للغلاف الجوي والحريق لديناميكا خط النار. المصدر