Erde und Klima

Erdsystemmodelle

Atmosphäre, Ozean, Meereis, Land und Kohlenstoffkreislauf, gekoppelt auf einem globalen Gitter und über Jahrhunderte gerechnet.

Frage, die sie beantwortet: Wie warm wird der Planet bei einem gegebenen Emissionspfad?

Lässt aus: Wolken werden noch immer durch Parametrisierungen dargestellt, die größte einzelne Quelle der Uneinigkeit zwischen Modellen.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein großer Anteil eines nationalen Supercomputers, für Monate.Seit: 1969 Manabe und Bryans erstes gekoppeltes Ozean-Atmosphäre-Klimamodell.Im Simulationen-Baum: Gekoppelter Ozean und Atmosphäre

Paläoklima

Dieselben Modelle laufen über Eiszeiten und geologische Zeiträume hinweg, mit anderen Kontinenten, Umlaufbahnen und Atmosphären.

Frage, die sie beantwortet: Was löste die Eiszeiten aus, und was sagt die Vergangenheit darüber, wie empfindlich das Klima ist?

Lässt aus: Alte Küstenlinien, Eis und Vegetation werden aus spärlichen Belegen rekonstruiert und dann als bekannte Eingaben behandelt.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Ähnlich wie ein moderner Klimalauf, ein Supercomputer-Anteil über Monate.Seit: 1977 Manabe und Hahns erste GCM-Simulation des Eiszeitklimas.

Eisschilde und Meeresspiegel

Gletscher und Eisschilde, die fließen, schmelzen und ins Meer kalben.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell könnten die Eisschilde in diesem Jahrhundert zum Meeresspiegel beitragen?

Lässt aus: Die Physik darüber, wie Eis plötzlich bricht und abrutscht, ist noch schlecht erfasst.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, Tage bis Wochen pro simuliertem Jahrhundert.Seit: 1976 Mahaffys frühes Finite-Differenzen-Computermodell eines Eisschilds.

Integrierte Bewertungsmodelle

Energie, Wirtschaft, Landnutzung und Klima, in einem Modell verknüpft und genutzt, um politische Pfade zu vergleichen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Mischung aus Energie und Landnutzung hält die Erwärmung unter einer bestimmten Grenze, und zu welchen Kosten?

Lässt aus: Reduziert die ganze Wirtschaft und das Klima auf eine Handvoll Gleichungen, sodass die Antwort stark von der gewählten Diskontrate abhängt.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop; ein vollständiger Lauf dauert Sekunden bis Minuten.Seit: 1992 Nordhaus' DICE-Modell, das erste weit verbreitete Klima-Wirtschafts-Modell.

Regionales Klima-Downscaling

Die grobe Ausgabe eines globalen Klimamodells, die ein feineres regionales Modell über einem Land oder Gebirge antreibt.

Frage, die sie beantwortet: Was bedeutet die globale Erwärmung tatsächlich für das Wetter in diesem Tal?

Lässt aus: Erbt die Verzerrungen des globalen Modells, in das es eingebettet ist, nur eben in höherer Auflösung.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein nationaler Cluster, Wochen für eine regionale Projektion.Seit: 1989 frühe verschachtelte regionale Klimamodelle, über einem begrenzten Gebiet ausgeführt.

Solares Geoengineering

Klimamodelle, die mit einem bewusst hinzugefügten Eingriff laufen, etwa reflektierenden Partikeln, die in die obere Atmosphäre eingebracht werden, um zu sehen, was sich ändern würde.

Frage, die sie beantwortet: Könnte ein gezieltes Verringern des einfallenden Sonnenlichts die Erwärmung ausgleichen, und welche Nebenwirkungen hätte es?

Lässt aus: Kein Eingriff dieser Art wurde je im großen Maßstab durchgeführt, sodass jedes Ergebnis davon abhängt, wie gut das Modell Aerosole abbildet, die in einem solchen Einsatz nie beobachtet wurden.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein großer Anteil eines nationalen Supercomputers, für Monate.Seit: 1992 frühe Klimamodellexperimente, die einen hypothetischen vulkanartigen Eingriff testen.

Welt-Erde-Modelle

Klimamodelle, gekoppelt an einfache dynamische Darstellungen menschlichen Verhaltens, sodass Emissionen, Politik und sozialer Wandel auf den Zustand des Planeten reagieren.

Frage, die sie beantwortet: Wie wirken soziale Kipppunkte und Klimarückkopplungen über Jahrhunderte zusammen?

Lässt aus: Verhaltensregeln sind Hypothesen, und räumliche Klimadetails sind grob.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Modelle reduzierter Komplexität in großen EnsemblesSeit: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) Quelle

Globale wolkenauflösende Modelle

Atmosphärenmodelle, deren Gitter mit einigen Kilometern fein genug ist, um tiefe Konvektion auf dem ganzen Globus explizit darzustellen.

Frage, die sie beantwortet: Lassen sich tropische Wolkensysteme direkt statt über Parameter simulieren?

Lässt aus: Die Läufe sind kurz, und Turbulenz und Wolkenmikrophysik werden weiterhin angenähert.

Läuft auf: etwa 10¹⁸ FLOPS grob Wochen simulierter Zeit auf den größten MaschinenSeit: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) QuelleIm Simulationen-Baum: Globales wolkenauflösendes Modell

Superparametrisierung

Ein kleines wolkenauflösendes Modell wird in jede Säule eines groben globalen Modells eingebettet, um das übliche Konvektionsschema zu ersetzen.

Frage, die sie beantwortet: Kann explizite Wolkenphysik ein Klimamodell verbessern, ohne dass es ein vollständiges feines globales Gitter braucht?

Lässt aus: Die eingebetteten Modelle sind klein und tauschen sich nicht mit benachbarten Säulen aus.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Eingebettete 2D-Wolkenmodelle steigern den Rechenaufwand um ein VielfachesSeit: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) Quelle

Zuordnung extremer Ereignisse

Große Ensembles von Klimaläufen mit und ohne menschlichen Einfluss liefern die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Hitzewelle, Flut oder eines Sturms in jeder der beiden Welten.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark haben menschliche Emissionen die Wahrscheinlichkeit dieses konkreten Ereignisses verändert?

Lässt aus: Die Ergebnisse hängen davon ab, wie gut das Modell die Art des Ereignisses in diesem Maßstab reproduziert.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Hunderte bis Tausende EnsemblemitgliederSeit: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) Quelle

Von Freiwilligen berechnete Ensembles mit gestörter Physik

Tausende Kopien eines Klimamodells, jede mit leicht anderen physikalischen Parametern, laufen auf gespendeten Heimcomputern.

Frage, die sie beantwortet: Wie groß ist die Spanne der Erwärmung, die mit unsicherer Modellphysik vereinbar ist?

Lässt aus: Die Modellstruktur ist fest; nur Parameter werden variiert.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Zehntausende ModellläufeSeit: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) Quelle

Große Ensembles mit Anfangsbedingungen

Ein einzelnes Klimamodell wird Dutzende Male aus leicht verschiedenen Anfängen gerechnet, um erzwungenen Wandel von interner Variabilität zu trennen.

Frage, die sie beantwortet: Welcher Teil eines regionalen Trends ist das eigene Rauschen des Klimas?

Lässt aus: Es erfasst die Variabilität innerhalb eines Modells, nicht die Unterschiede zwischen Modellen.

Läuft auf: etwa 10¹⁸ FLOPS grob Dutzende jahrhundertelange gekoppelte LäufeSeit: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) Quelle

Gelernte Klimaemulatoren

Ein neuronales Netz, trainiert an der Ausgabe von Klimamodellen, schreitet mit der Atmosphäre Jahrzehnte oder Jahrhunderte voran, bei einem winzigen Bruchteil des Rechenaufwands.

Frage, die sie beantwortet: Kann ein trainiertes Ersatzmodell die Klimastatistik über mehrere Jahrzehnte schnell reproduzieren?

Lässt aus: Es erbt die Verzerrungen seines Trainingsmodells und kann außerhalb der Klimate versagen, die es gesehen hat.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob Training an Modellarchiven, danach lange Läufe mit geringem AufwandSeit: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) Quelle

Digitale Zwillinge des Erdsystems

Laufend aktualisierte, hochauflösende Modelle des Planeten, gespeist von Beobachtungen und gebaut, um Was-wäre-wenn-Fragen für Nutzer zu beantworten.

Frage, die sie beantwortet: Was würde mit einer Region geschehen, wenn eine bestimmte Entscheidung oder ein bestimmtes Ereignis einträte?

Lässt aus: Der Zwilling ist nur so treu wie seine Modelle und Daten, und interaktive Szenarien sind begrenzt.

Läuft auf: etwa 10¹⁹ FLOPS grob Globale Modelle im Kilometermaßstab mit DatenassimilationSeit: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) Quelle

Strahlungs-Konvektions-Klimamodell

Eine einzelne Atmosphärensäule im Gleichgewicht zwischen Strahlung und Konvektion, um herauszufinden, wie stark sich ein Planet erwärmt, wenn sich Kohlendioxid oder Luftfeuchte ändern.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark erwärmt sich eine Luftsäule, wenn sich ihr Treibhausgas verdoppelt?

Lässt aus: Es hat keine Winde, Wolken oder Ozeantransporte und liefert deshalb eine Referenzerwärmung statt einer Vorhersage.

Läuft auf: etwa 10⁴ FLOPS grob eine eindimensionale Säule, auf einem Laptop schnell.Seit: 1967 Manabe und Wetheralds thermisches Gleichgewicht der Atmosphäre bei vorgegebener Verteilung der relativen Feuchte. Quelle

Energiebilanz-Klimamodell

Die Erde, reduziert auf Breitenbänder, die Wärme aufnehmen und abgeben und sie durch Transport austauschen, genug, um die Eis-Albedo-Rückkopplung und das Kippen zwischen Klimazuständen zu zeigen.

Frage, die sie beantwortet: Könnte eine außer Kontrolle geratene Ausbreitung der Eisbedeckung den ganzen Planeten einfrieren?

Lässt aus: Das Bild ignoriert Dynamik und Wetter, es informiert also, sagt aber nichts voraus.

Läuft auf: etwa 10³ FLOPS grob eine Handvoll Gleichungen; Sekunden auf jedem Computer.Seit: 1969 Sellers' globales Klimamodell auf Basis der Energiebilanz des Systems Erde-Atmosphäre. Quelle

Modellierung dynamischer globaler Vegetation und des Kohlenstoffkreislaufs

Pflanzen, Böden und ihr Kohlenstoffaustausch, weltweit simuliert, wobei Vegetationstypen konkurrieren und sich verschieben, wenn sich das Klima ändert.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel Kohlenstoff wird das Land aufnehmen oder abgeben, während sich das Klima erwärmt?

Lässt aus: Pflanzentypen werden zu wenigen funktionalen Klassen zusammengefasst, und Nährstoff- und Störungsrückkopplungen sind grob.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Globale Läufe über mehrere Jahrhunderte, oft auf einem groben Gitter.Seit: 1996 Foleys und Kollegen integriertes Biosphärenmodell der Landoberflächenprozesse, der terrestrischen Kohlenstoffbilanz und der Vegetationsdynamik. Quelle

Gekoppelte Simulation von Kohlenstoffkreislauf und Klima

Ein Klimamodell mit dem Kohlenstoffkreislauf von Land und Ozean darin, sodass die Erwärmung verändern kann, wie viel die Erde aufnimmt, und sich damit selbst verstärkt oder abschwächt.

Frage, die sie beantwortet: Verwandelt die Erwärmung Land und Ozean von Kohlenstoffsenken in Kohlenstoffquellen?

Lässt aus: Die Reaktion des Landkohlenstoffs unterscheidet sich zwischen Modellen stark wegen der Annahmen zu Boden und Vegetation.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Gekoppelte Klimaläufe über mehrere Jahrhunderte auf einem Supercomputer.Seit: 2000 Cox, Betts, Jones, Spall und Totterdells Beschleunigung der globalen Erwärmung durch Kohlenstoffkreislauf-Rückkopplungen in einem gekoppelten Klimamodell. Quelle

Modellierung von Ozeanökosystem und Biogeochemie

Nährstoffe, Plankton und Detritus, die durch den Ozean verfrachtet und umgewälzt werden, um die Produktivität und den in die Tiefe getragenen Kohlenstoff vorherzusagen.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel Kohlenstoff trägt das Leben im Ozean in die Tiefsee?

Lässt aus: Planktongruppen sind wenige zusammengefasste Kompartimente mit angepassten Raten.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein biogeochemisches Modul innerhalb eines allgemeinen Ozeanzirkulationsmodells.Seit: 1990 Fashams, Ducklows und McKelvies stickstoffbasiertes Modell der Planktondynamik in der durchmischten Deckschicht des Ozeans. Quelle

Gelernte Subgitter-Parametrisierung

Ein neuronales Netz, trainiert an einem wolkenauflösenden Modell, ersetzt die handgeschriebenen Regeln für Stürme und Wolken, die für ein grobes globales Klimamodell zu klein sind.

Frage, die sie beantwortet: Kann ein grobes Klimamodell kleinräumige Wolken richtig erfassen, indem es sie von einem feineren lernt?

Lässt aus: Das Netz kann in instabile oder unphysikalische Zustände driften, wenn sich das Klima außerhalb der Bedingungen bewegt, mit denen es trainiert wurde.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Training an einer kleinen Menge feiner Simulationen, danach Nutzung mit geringem Aufwand im Klimamodell.Seit: 2018 Rasp, Pritchard und Gentines Deep-Learning-Darstellung von Subgitterprozessen in einem Klimamodell. Quelle

Numerische Wettervorhersage

Die heute beobachtete Atmosphäre wird Stunden bis Tage vorwärts gerechnet, meist als Ensemble leicht verschiedener Startpunkte.

Frage, die sie beantwortet: Regnet es hier am Donnerstag, und wie sicher sind wir uns?

Lässt aus: Die Vorhersagegüte bricht nach etwa zehn Tagen ein, so fein das Gitter auch ist.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob der Supercomputer eines nationalen Wetterdienstes, ein paar Prozent davon für Stunden.Seit: 1950 Charneys, Fjørtofts und von Neumanns erste numerische Vorhersage.Im Simulationen-Baum: Erste Computer-Wettervorhersage

Maschinell gelerntes Wetter

Neuronale Netze, trainiert auf Jahrzehnten vergangenen Wetters, die Vorhersagen in Sekunden statt Stunden liefern.

Frage, die sie beantwortet: Kann ein gelernter Emulator so gut vorhersagen wie die Physik, an der er trainiert wurde?

Lässt aus: Es lernt die Muster vergangenen Wetters und tut sich deshalb mit der Art von Extremereignis schwer, die es noch nie gesehen hat.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob eine einzelne Highend-GPU; Vorhersagen in Sekunden statt Stunden.Seit: 2022 erste gelernte Wettermodelle, die die Vorhersagegüte physikbasierter Prognosen erreichten.

Tropische Wirbelstürme

Hurrikane und Taifune in hoher Auflösung: ihre Zugbahnen, Intensität und Niederschläge.

Frage, die sie beantwortet: Wo wird der Sturm auf Land treffen, und wie stark wird er sein?

Lässt aus: Auge und Augenwand sind noch kleiner, als die meisten Modelle sauber auflösen können.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob der Cluster eines nationalen Vorhersagezentrums, ausgeführt für jeden aktiven Sturm.Seit: 1969 Ooyamas frühes numerisches Modell der Entwicklung eines Hurrikans.

Luftqualität und Ausbreitung

Schadstoffe, Rauch und Vulkanasche, die vom Wind getragen, vermischt und chemisch umgewandelt werden.

Frage, die sie beantwortet: Wohin zieht die Fahne, und ist die Luft sicher zum Atmen oder Durchfliegen?

Lässt aus: Emissionskataster, die Eingabe, von der die ganze Vorhersage abhängt, sind oft veraltet oder geschätzt.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Verschmutzungsereignis.Seit: 1970 frühe computergestützte Gaußsche Fahnenmodelle für Schornsteinemissionen.

Saisonale Vorhersage

Ein Ensemble klimalanger Modellläufe, gestartet vom heutigen Ozean und der heutigen Atmosphäre, mit Blick auf die Chancen für eine ganze Jahreszeit statt für einen einzelnen Tag.

Frage, die sie beantwortet: Wird dieser Winter wärmer oder nasser als der Durchschnitt?

Lässt aus: Kann nicht sagen, wie das Wetter an einem bestimmten Tag wird, nur, wie sich die Chancen verschieben.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob der Supercomputer eines nationalen Vorhersagezentrums, ein Ensemble von Läufen pro Jahreszeit.Seit: 1986 frühe dynamische Saisonvorhersagen mit ozeangekoppelten Modellen.

Schwere Konvektionsstürme

Ein einzelnes Gewitter oder eine Superzelle, aufgelöst bis auf die Größe von Aufwind und Abwind, um zu sehen, ob sich ein Tornado bildet oder großer Hagel fällt.

Frage, die sie beantwortet: Bringt dieser Sturm einen Tornado hervor, und wo?

Lässt aus: Braucht ein Gitter, das fein genug ist, um einen Tornado zu sehen, was zu aufwendig ist, um es überall zu rechnen, wo ein Sturm entstehen könnte.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein nationaler Cluster, Stunden für einen Sturm bei sehr hoher Auflösung.Seit: 1975 frühe dreidimensionale Computermodelle eines einzelnen Gewitters.

Generative Ensemble-Wettervorhersage

Ein Diffusionsmodell zieht viele plausible Wetterverläufe für die nächsten zwei Wochen und liefert Wahrscheinlichkeiten für jede Variable im globalen Maßstab.

Frage, die sie beantwortet: Kann ein gelerntes Modell günstig kalibrierte Vorhersageunsicherheit liefern?

Lässt aus: Es ist an Reanalysedaten gebunden und bietet keine physikalische Garantie für seltene Extreme.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Training an Jahrzehnten von Reanalysen, Minuten pro EnsemblemitgliedSeit: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) Quelle

Ensemble-Wettervorhersage

Eine Vorhersage, die viele Male aus leicht verschiedenen Ausgangszuständen gestartet wird; die Streuung zeigt, wie unsicher das Wetter ist und wie wahrscheinlich jedes Ergebnis ist.

Frage, die sie beantwortet: Wie sicher kann eine Wettervorhersage sein, und was könnte stattdessen geschehen?

Lässt aus: Störungen im Anfangszustand erfassen den Modellfehler nur teilweise, deshalb ist die Streuung oft zu eng.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Dutzende globale Vorhersagen jeden Tag, jede ein großer Lauf.Seit: 1974 Leiths theoretische Güte von Monte-Carlo-Vorhersagen. Quelle

Atmosphärische Reanalyse

Ein festes modernes Vorhersagemodell, das über Jahrzehnte vergangener Beobachtungen läuft und sie zu einer konsistenten, lückenlosen Aufzeichnung der Atmosphäre verschmilzt.

Frage, die sie beantwortet: Wie waren Winde, Temperaturen und Drücke an jedem Ort und zu jeder Zeit der Vergangenheit?

Lässt aus: Veränderungen im Beobachtungssystem über die Zeit hinterlassen künstliche Trends in der Aufzeichnung.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Jahrzehnte an Assimilationszyklen auf einem Supercomputer.Seit: 1996 Kalnay und Kollegen, das 40-jährige NCEP/NCAR-Reanalyseprojekt. Quelle

Large-Eddy-Simulation der atmosphärischen Grenzschicht

Der unterste Kilometer der Atmosphäre, in dem turbulente Wirbel Wärme, Feuchte und Schadstoffe durchmischen. Die großen Wirbel werden aufgelöst, die kleinen modelliert.

Frage, die sie beantwortet: Wie tragen turbulente Wirbel Wärme und Feuchtigkeit vom Boden nach oben?

Lässt aus: Austausch an der Oberfläche und Durchmischung unterhalb der Gitterauflösung werden parametrisiert, was die Genauigkeit in Bodennähe begrenzt.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob ein paar Kilometer Gebiet bei einer Auflösung von einigen zehn Metern.Seit: 1972 Deardorffs numerische Untersuchung neutraler und instabiler planetarer Grenzschichten. Quelle

Globale sturmauflösende Simulation

Ein Atmosphärenmodell des ganzen Planeten mit einigen Kilometern Auflösung, sodass Gewitterhaufen und tropische Stürme ohne Konvektionsparametrisierung entstehen.

Frage, die sie beantwortet: Was macht die Atmosphäre, wenn Stürme aufgelöst statt genähert werden?

Lässt aus: Wolkenmikrophysik und Turbulenz unterhalb einiger Kilometer bleiben parametrisiert, und die Läufe sind zu kurz, um Klima zu untersuchen.

Läuft auf: etwa 10¹⁹ FLOPS grob Wochen auf den größten Maschinen für einige simulierte Monate.Seit: 2008 Satoh und Kollegen, nichthydrostatisches ikosaedrisches Atmosphärenmodell für globale wolkenauflösende Simulationen. Quelle

Emission und Transport von Mineralstaub

Wind hebt Wüstenstaub, trägt ihn über Meere und lagert ihn ab, um seine Wirkung auf Strahlung, Nährstoffe im Ozean und Luftqualität zu finden.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel Wüstenstaub gelangt in die Luft, und wohin geht er?

Lässt aus: Emissionsschwellen hängen von Boden- und Oberflächeneigenschaften ab, die schlecht kartiert sind.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob ein Staubmodul innerhalb eines Atmosphärenmodells über Jahre.Seit: 1994 Das Modell von Tegen und Fung für Mineralstaub in der Atmosphäre: Quellen, Transport und optische Dicke. Quelle

Modellierung der Energiebilanz städtischer Oberflächen

Straßen, Dächer und Wände werden als Schlucht behandelt, die mit der Luft Wärme, Feuchte und Impuls austauscht, um städtische Wärmeinseln und den Kühlbedarf von Gebäuden vorherzusagen.

Frage, die sie beantwortet: Warum ist eine Stadt wärmer als das Umland?

Lässt aus: Städte sind auf idealisierte Straßenschluchten reduziert, sodass Gebäudedetails und Verkehrswärme nur angenähert sind.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Straßenschluchten-Schema innerhalb eines Atmosphärenmodells über einer Großstadtregion.Seit: 2000 Massons physikalisch basiertes Schema für die städtische Energiebilanz in Atmosphärenmodellen. Quelle

Modellierung von Thermosphäre und Ionosphäre

Die obere Atmosphäre in 100 bis 600 Kilometern Höhe, von Sonnenlicht und Teilchen erwärmt, mit Winden und elektrischen Strömen, die den Satellitenwiderstand und Funksignale verändern.

Frage, die sie beantwortet: Wie verändert die Sonnenaktivität die obere Atmosphäre und die Ausbreitung von Radiowellen?

Lässt aus: Die untere Randbedingung und die Energie von oben werden aus spärlichen Daten vorgegeben.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob gekoppelte Simulation der oberen Atmosphäre über Tage von Weltraumwetter.Seit: 1988 Roble, Ridley, Richmond und Dickinsons gekoppeltes allgemeines Zirkulationsmodell von Thermosphäre und Ionosphäre. Quelle

Ozeanzirkulation

Strömungen, Wirbel, Wärme und Salz, die sich durch die Ozeane der Welt bewegen.

Frage, die sie beantwortet: Könnten sich die großen Umwälzströmungen des Atlantiks verlangsamen?

Lässt aus: Die Wirbel, die Wärme und Kohlenstoff durchmischen, sind meist kleiner als das Gitter, deshalb muss ihre Wirkung parametrisiert werden.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein großer Cluster, Wochen für einen Lauf über mehrere Jahrzehnte.Seit: 1969 Bryans erstes Computermodell der globalen Ozeanzirkulation.

Tsunamis und Sturmfluten

Wellen, von Erdbeben oder Stürmen erzeugt, überqueren den Ozean und laufen an der Küste auf.

Frage, die sie beantwortet: Wie hoch steigt das Wasser, und welche Straßen werden zuerst überflutet?

Lässt aus: Küstenschutz und Entwässerung sind meist weit unter die Auflösung des Auflaufs selbst vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation; Minuten für einen Küstenwarnlauf.Seit: 1969 Aidas frühe numerische Experimente zur Modellierung eines Tsunamis.

Flüsse und Überschwemmungen

Regen, der auf ein Einzugsgebiet fällt, einsickert oder in Bäche, Flüsse und Überschwemmungsgebiete abfließt.

Frage, die sie beantwortet: Wie groß wird die Flut, die dieser Sturm auslöst, und wo?

Lässt aus: Boden und Landnutzung werden über das Einzugsgebiet gemittelt. Das verbirgt das eine Feld oder die eine Rinne, die tatsächlich überflutet.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop; ein Einzugsgebietslauf dauert Minuten.Seit: 1966 Crawfords und Linsleys Stanford-Watershed-Niederschlags-Abfluss-Modell.

Grundwasser

Wasser bewegt sich langsam durch Boden und Gestein in Grundwasserleitern.

Frage, die sie beantwortet: Wie lange können wir diesen Grundwasserleiter anzapfen, bevor die Brunnen trocken fallen?

Lässt aus: Die Eigenschaften von Gestein und Boden im Untergrund werden aus Bohrungen kartiert, die Hunderte Meter auseinanderliegen, daher ist der größte Teil des Grundwasserleiters erschlossen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop oder eine Workstation; Minuten bis Stunden pro Grundwasserleiter.Seit: 1968 Pinder und Bredehoefts frühes Finite-Differenzen-Modell eines Grundwasserleiters.

Meereis

Schwimmendes Eis auf der Meeresoberfläche, das unter Wind, Wellen und Wärme bricht, sich aufschiebt, driftet und schmilzt.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel vom Arktischen Ozean wird am Ende des Sommers noch von Eis bedeckt sein?

Lässt aus: Behandelt ein uneinheitliches Feld aus gebrochenen, aufgewölbten Schollen als glatte, durchgehende Decke.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitäts- oder nationaler Cluster, Wochen, gekoppelt an einen Ozeanlauf.Seit: 1969 frühe Computermodelle des driftenden arktischen Meereises.

Vorhersage von Meereswellen

Wind weht über offenes Wasser, erzeugt und lenkt Dünung und Seegang und wird verfolgt, um Wellenhöhe und -richtung für Schiffe und Küsten vorherzusagen.

Frage, die sie beantwortet: Wie rau wird die See morgen hier sein?

Lässt aus: Schneidet bei den steilsten, brechenden Kämmen schlecht ab, die für die Schifffahrtssicherheit am wichtigsten sind.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob der Cluster eines nationalen Vorhersagezentrums, mehrmals täglich ausgeführt.Seit: 1956 frühe numerische Wellenvorhersage nach Methoden der Dünungsvorhersage aus Kriegszeiten.

Modellierung von Überflutungen

Wasser aus einem Fluss oder Sturm breitet sich auf einem Geländegitter über eine Überschwemmungsebene aus, um Tiefe und Ausdehnung für Versicherung und Planung zu kartieren.

Frage, die sie beantwortet: Welche Straßen und Felder stehen bei einer Flut unter Wasser?

Lässt aus: Geländegenauigkeit und die Zuflussganglinie dominieren den Fehler, nicht die Numerik.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob zweidimensionale Flachwasser- oder Rastermodelle eines Flusseinzugsgebiets.Seit: 2000 Bates' und De Roos einfaches rasterbasiertes Modell zur Simulation von Überflutungen. Quelle

Modellierung der Zirkulation in Küsten- und Mündungsgebieten

Gezeiten, Flüsse und Winde bewegen Wasser, Salz und Sediment durch Buchten und Ästuare auf einem geländefolgenden Gitter.

Frage, die sie beantwortet: Wie vermischen Gezeiten und Flüsse das Wasser entlang einer Küste?

Lässt aus: Kleinräumige Durchmischung und Fehler in der Bathymetrie begrenzen die Genauigkeit nahe der Küste.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob dreidimensionales Regionalmodell mit Läufen über ein Jahr.Seit: 1987 Blumbergs und Mellors Beschreibung eines dreidimensionalen Zirkulationsmodells des Küstenozeans. Quelle

Meeresmüll und Lagrange'sche Driftmodellierung

Virtuelle Teilchen, getragen von simulierten oder beobachteten Meeresströmungen, um zu finden, wohin schwimmendes Plastik, Öl oder Larven gelangen.

Frage, die sie beantwortet: Wo landet schwimmendes Plastik von einer Küste?

Lässt aus: Winddruck, Wellendrift und das Sinken oder Zerfallen von Teilchen sind schlecht bekannt.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Millionen Teilchen, die durch ein Jahr Ozeanströmung verfrachtet werden.Seit: 2012 Die Studie von van Sebille, England und Froyland zu Herkunft, Dynamik und Entwicklung von Müllstrudeln im Ozean anhand beobachteter Oberflächendrifter. Quelle

Simulation von Erdöl- und Erdgaslagerstätten

Öl, Gas und Wasser, die durch die Poren eines Gesteinsreservoirs zu den Förderbrunnen strömen, um Bohrungen zu planen und vorherzusagen, wie viel sich fördern lässt.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel Öl wird ein Feld liefern, und wo sollten die Bohrungen hin?

Lässt aus: Gesteinseigenschaften zwischen Bohrungen werden aus spärlichen Daten erschlossen, sodass die Unsicherheit meist größer ist als die Numerik.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob Mehrphasenströmung in einem geologischen Modell mit Millionen Zellen.Seit: 1955 Peaceman und Rachfords numerische Lösung parabolischer und elliptischer Differentialgleichungen, die Grundlage früher Lagerstättensimulatoren. Quelle

Glazial-isostatische Anpassung und Fingerabdrücke des Meeresspiegels

Die Erdkruste federt zurück, wenn Eisschilde schmelzen, und die Ozeane verteilen sich neu. So lassen sich der regionale Meeresspiegelwandel und das Schwerefeld vorhersagen.

Frage, die sie beantwortet: Warum fällt der Meeresspiegel an manchen Orten, wenn das Eis schmilzt, und steigt an anderen?

Lässt aus: Die Viskosität des Mantels unter den Platten ist schlecht eingegrenzt und unterscheidet sich von Region zu Region.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob viskoelastische Erdmodelle, auf einer Kugel gelöst.Seit: 1976 Farrells und Clarks Berechnung des nacheiszeitlichen Meeresspiegels. Quelle

Simulation der geologischen Kohlendioxidspeicherung

Eingeleitetes Kohlendioxid, das sich in einer salzwasserhaltigen Gesteinsformation ausbreitet, aufsteigt und löst, wobei Einschluss durch Deckgestein, Kapillarität und Mineralreaktionen über Jahrhunderte verfolgt wird.

Frage, die sie beantwortet: Bleibt das Gas unter der Erde, und wohin geht es?

Lässt aus: Das Gestein unter dem Bohrloch ist nur aus wenigen Bohrungen und Untersuchungen bekannt, deshalb werden Durchlässigkeit und Verwerfungen mit großer Unsicherheit geschätzt.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob Wochen auf einem Cluster für ein Modell im Beckenmaßstab über Tausende von Jahren.Seit: 2002 Der Lawrence-Berkeley-Vergleich numerischer Codes zur geologischen Speicherung von CO2. Quelle

Reaktiver Transport im Untergrund

Wasser trägt Chemikalien durch Gestein oder Boden, während sich Minerale lösen, ausfallen und Ionen austauschen, zusammen mit der Strömung gelöst.

Frage, die sie beantwortet: Wie verändern sich Chemie und Leitungssystem eines Grundwasserleiters oder Endlagers im Lauf der Zeit gegenseitig?

Lässt aus: Im Labor gemessene Reaktionsraten werden auf Gestein angewandt, dessen reaktive Oberfläche im Untergrund unbekannt ist.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Tage auf einem Cluster für ein dreidimensionales Feldgelände.Seit: 1985 Lichtners Kontinuumsmodell für gekoppelte chemische Reaktionen und Stofftransport in hydrothermalen Systemen. Quelle

Mantelkonvektion und Plattentektonik

Heißes Gestein, das über Hunderte Millionen Jahre im Inneren des Planeten kriecht und die Platten darüber trägt.

Frage, die sie beantwortet: Warum hat die Erde Plattentektonik, ihre Nachbarn aber nicht?

Lässt aus: Läuft Millionen simulierter Jahre auf einmal, kann also nicht auch ein einzelnes Erdbeben zeigen.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, Wochen für einen langen Lauf.Seit: 1974 McKenzie, Roberts und Weiss' erstes numerisches Mantelkonvektionsmodell.

Erdbeben und seismische Wellen

Verwerfungen, die brechen, und die Wellen, die sich durch die Kruste ausbreiten und den Boden erschüttern.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark wird diese Stadt beben, wenn jene Verwerfung bricht?

Lässt aus: Der Startpunkt des Bruchs und die genaue Rauheit der Verwerfung werden noch angenommen statt vorab gekannt.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein nationaler oder universitärer Cluster, Tage für einen großen Verwerfungsbruch.Seit: 1968 Altermans und Karals frühes Finite-Differenzen-Modell seismischer Wellen.

Vulkanausbrüche und Lavaströme

Magma, das aufsteigt, ausbricht und als Lava, Asche oder schnelle heiße Wolken talwärts fließt.

Frage, die sie beantwortet: Welche Dörfer liegen im Weg, wenn der Vulkan ausbricht?

Lässt aus: Kann nicht vorhersagen, wann ein Ausbruch beginnt, nur, was geschieht, wenn einer schon begonnen hat.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Szenario.Seit: 1980 frühe Computermodelle von Lava, die von einem Schlot bergab fließt.

Landschaftsentwicklung

Flüsse, die Täler schneiden, Hänge, die kriechen, und Küsten, die erodieren, über Tausende bis Millionen Jahre.

Frage, die sie beantwortet: Wie hat diese Landschaft ihre Form bekommen?

Lässt aus: Presst Millionen Jahre in einen Lauf, sodass jeder einzelne Sturm oder Steinschlag verwischt wird.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation; Tage für eine Landschaft über eine Million Jahre.Seit: 1991 Das frühe berechnete Landschaftsentwicklungsmodell von Willgoose und Kollegen.

Ausbreitung von Waldbränden

Feuer, das sich Zelle für Zelle über Brennstoff, Gelände und Wind bewegt.

Frage, die sie beantwortet: Wo wird die Feuerfront in sechs Stunden sein?

Lässt aus: Wind, der größte Treiber des Verhaltens eines echten Feuers, wird meist auf einen gleichmäßigen Durchschnitt vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation oder ein Laptop; Minuten für eine sich ausbreitende Feuerfront.Seit: 1972 Rothermels Gleichungen der Brandausbreitung, bald für Vorhersagen computerisiert.

Das interaktive Modell ausführen

Erdrutsche und Murgänge

Ein Hang aus Erde, Fels oder Schlamm, der abrutscht und talwärts fließt; verfolgt wird, wie er beschleunigt, sich ausbreitet und das Gelände darunter begräbt.

Frage, die sie beantwortet: Wie weit wird dieser Hang rutschen, wenn er versagt, und wie schnell?

Lässt aus: Der Moment, in dem ein Hang tatsächlich versagt, lässt sich noch schwerer vorhersagen als das, was danach passiert.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Hangszenario.Seit: 1980 frühe Computer-Auslaufmodelle für einen abrutschenden Hang.

Physikbasierte seismische Gefährdung

Simulationen von Erdbebenbruch und Wellenausbreitung ersetzen empirische Dämpfungsregeln, um die Erschütterung an jedem Standort zu liefern.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark würde hier der Boden bei jedem möglichen Bruch beben?

Lässt aus: Braucht ein bekanntes Geschwindigkeitsmodell, und hohe Frequenzen sind schwer aufzulösen.

Läuft auf: etwa 10¹⁸ FLOPS grob Viele Bruchszenarien, jedes eine dreidimensionale WellensimulationSeit: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) Quelle

Geodynamo-Simulation

Die Konvektion von flüssigem Eisen im Erdkern erzeugt und erhält das Magnetfeld, einschließlich seiner zufälligen Umpolungen.

Frage, die sie beantwortet: Wie erzeugt der Erdkern sein Magnetfeld, und warum polt es sich um?

Lässt aus: Viskositäts- und Leitfähigkeitswerte sind weit von den echten entfernt, deshalb ist die Strömung viel glatter als im Erdinneren.

Läuft auf: etwa 10¹⁸ FLOPS grob Monate auf einem Supercomputer für einen Dynamo, der noch immer weit von erdähnlichen Bedingungen entfernt läuft.Seit: 1995 Glatzmaiers und Roberts' dreidimensionale selbstkonsistente Simulation einer Umpolung des Erdmagnetfelds. Quelle

Seismische Inversion der vollen Wellenform

Seismische Wellen, die wiederholt durch ein Probe-Erdmodell laufen, das angepasst wird, bis synthetische und aufgezeichnete Wellen übereinstimmen, um die Gesteinsstruktur abzubilden.

Frage, die sie beantwortet: Wie sieht das Gestein unter uns aus, gesehen durch die Wellen, die es durchquert haben?

Lässt aus: Die Inversion kann sich auf falsche Lösungen festlegen, wenn das Startmodell nicht nah dran ist.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Tausende Wellensimulationen in einer Optimierungsschleife.Seit: 1984 Tarantolas Inversion seismischer Reflexionsdaten in der akustischen Näherung. Quelle

Seismische Wellenausbreitung mit Spektralelementen

Erdbebenwellen, die sich durch ein dreidimensionales Modell der Kruste oder der ganzen Erde ausbreiten, mit Elementen hoher Ordnung, die Topografie und Schichten folgen.

Frage, die sie beantwortet: Wie breiten sich Wellen durch die echte, klumpige Erde aus?

Lässt aus: Erdmodelle sind in kleinräumiger Struktur und Dämpfung unsicher, sodass kurze Perioden weniger verlässlich sind.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Läufe für die ganze Erde, die Perioden von einigen Sekunden auflösen.Seit: 1998 Komatitsch und Vilottes Spektralelementmethode für die seismische Antwort zwei- und dreidimensionaler Strukturen. Quelle

Simulation von Erdbebenzyklen

Eine Verwerfung, die von der Plattenbewegung langsam belastet wird, mit Reibung, die haftet und rutscht; simuliert über viele Zyklen aus ruhigem Spannungsaufbau und plötzlichem Bruch.

Frage, die sie beantwortet: Wie wiederholen sich Erdbeben an einer Verwerfung über Jahrhunderte?

Lässt aus: Das Reibungsgesetz stammt aus dem Labor und wird auf Tiefen und Geschwindigkeiten extrapoliert, die nie gemessen wurden.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Rate-and-State-Verwerfungszyklen über Tausende Jahre.Seit: 1986 Tse und Rices Studie zur Instabilität von Erdbeben in der Erdkruste in Abhängigkeit von der Tiefenvariation der Reibungsgleiteigenschaften. Quelle

Stochastische Erdbebenkatalog-Modelle

Synthetische Erdbebenfolgen werden aus einem statistischen Modell erzeugt, in dem jeder Stoß die Wahrscheinlichkeit von Nachbeben erhöht. So lassen sich Häufung und Gefährdung vorhersagen.

Frage, die sie beantwortet: Wie wahrscheinlich sind Nachbeben nach einem großen Erdbeben?

Lässt aus: Das Modell erfasst statistische Häufung, hat aber keine Physik der Verwerfungsspannung.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob stochastische Kataloge brauchen wenig Rechenaufwand, und ein langes Ensemble läuft auf einer Workstation.Seit: 1988 Ogatas statistische Modelle für das Auftreten von Erdbeben und Residuenanalyse für Punktprozesse. Quelle

Landoberflächenmodell

Der Austausch von Wasser, Wärme und Kohlendioxid zwischen Boden, Pflanzen und Luft, als Oberflächenkomponente für Atmosphären- und Klimamodelle geschrieben.

Frage, die sie beantwortet: Wie steuern Pflanzen und Boden die Wärme und das Wasser, die zwischen Boden und Luft wandern?

Lässt aus: Die Vegetation wird durch wenige Parameter pro Zelle beschrieben, und die Wasserbewegung im Boden ist stark vereinfacht.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine eindimensionale Säule pro Gitterzelle in Klimamodellen.Seit: 1986 Sellers, Mintz, Sud und Dalchers einfaches Biosphärenmodell zur Verwendung in allgemeinen Zirkulationsmodellen. Quelle

Gekoppelte Feuer- und Atmosphärenmodelle

Eine Feuerfront und der Wind, den sie erzeugt, werden gemeinsam gelöst: Die Hitze des Feuers zieht Luft an, verändert die Strömung und beeinflusst dadurch wiederum, wie sich das Feuer ausbreitet und Funken und Rauch fortträgt.

Frage, die sie beantwortet: Wie formt ein Feuer den Wind um, der es antreibt?

Lässt aus: Verbrennung und Brennstoff werden durch einfache Ratengesetze dargestellt, sodass extremes Verhalten wie Kronenfeuer und Funkenflug nur grob erfasst wird.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Tage auf einem Cluster für einen großen Brand bei einer Auflösung von einigen zehn Metern.Seit: 1996 Clark, Jenkins und Coens gekoppeltes Atmosphäre-Feuer-Modell der Dynamik von Feuerlinien. Quelle