Bumi dan iklim

Model sistem Bumi

Atmosfer, lautan, es laut, daratan, dan siklus karbon digabungkan pada grid global dan dijalankan selama berabad-abad.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa hangat planet ini di bawah jalur emisi tertentu?

Mengabaikan: Awan masih direpresentasikan dengan parameterisasi, sumber perbedaan terbesar antarmodel.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar sebagian besar superkomputer nasional, selama berbulan-bulan.Sejak: 1969 Model iklim laut-atmosfer terkopel pertama oleh Manabe dan Bryan.Di pohon simulasi: Samudra dan atmosfer yang berpasangan

Paleoklimat

Model yang sama dijalankan untuk zaman es dan rentang waktu geologis yang sangat panjang, dengan benua, orbit, dan atmosfer yang berbeda.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apa yang memicu zaman es, dan apa yang dikatakan masa lalu tentang seberapa peka iklim?

Mengabaikan: Garis pantai, es, dan vegetasi purba direkonstruksi dari bukti yang jarang, lalu diperlakukan sebagai masukan yang diketahui.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar mirip simulasi iklim modern, sebagian superkomputer selama berbulan-bulan.Sejak: 1977 Simulasi GCM pertama iklim zaman es oleh Manabe dan Hahn.

Lapisan es dan permukaan laut

Gletser dan lapisan es mengalir, mencair, dan melepaskan bongkahan es ke laut.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa cepat lapisan es bisa menambah permukaan laut abad ini?

Mengabaikan: Fisika tentang bagaimana es tiba-tiba retak dan meluncur masih kurang tertangkap.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster universitas, berhari-hari hingga berminggu-minggu per abad tersimulasi.Sejak: 1976 Model komputer beda hingga awal lapisan es oleh Mahaffy.

Model penilaian terpadu

Energi, ekonomi, penggunaan lahan, dan iklim dihubungkan dalam satu model, dipakai untuk membandingkan jalur kebijakan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Campuran energi dan tata guna lahan seperti apa yang menjaga pemanasan di bawah batas tertentu, dan dengan biaya berapa?

Mengabaikan: Menyusutkan seluruh ekonomi dan iklim menjadi segelintir persamaan, sehingga jawabannya sangat bergantung pada tingkat diskonto yang dipilih.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop; satu simulasi penuh memakan waktu beberapa detik hingga menit.Sejak: 1992 Model DICE Nordhaus, model iklim-ekonomi pertama yang banyak dipakai.

Penurunan skala iklim regional

Keluaran kasar model iklim global dipakai untuk menggerakkan model regional yang lebih halus atas satu negara atau pegunungan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apa arti sebenarnya pemanasan global bagi cuaca di lembah ini?

Mengabaikan: Mewarisi bias model global mana pun tempatnya bersarang, hanya dengan resolusi yang lebih tinggi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster nasional, berminggu-minggu untuk satu proyeksi regional.Sejak: 1989 model iklim regional bersarang awal yang dijalankan di area terbatas.

Geoengineering surya

Model iklim yang dijalankan dengan intervensi sengaja yang ditambahkan, seperti partikel reflektif yang disuntikkan ke atmosfer atas, untuk melihat apa yang akan berubah.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mungkinkah mengurangi cahaya matahari yang masuk secara sengaja mengimbangi pemanasan, dan efek samping apa yang akan ditimbulkannya?

Mengabaikan: Intervensi semacam ini belum pernah dilakukan dalam skala besar, sehingga setiap hasil bergantung pada seberapa baik model mewakili aerosol yang belum pernah teramati dalam penerapan seperti itu.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar sebagian besar superkomputer nasional, selama berbulan-bulan.Sejak: 1992 eksperimen model iklim awal yang menguji intervensi hipotetis bergaya gunung berapi.

Model Bumi-dunia

Model iklim yang digabungkan dengan representasi dinamis sederhana perilaku manusia, sehingga emisi, kebijakan, dan perubahan sosial menanggapi keadaan planet.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana pergeseran sosial dan umpan balik iklim berinteraksi selama berabad-abad?

Mengabaikan: Aturan perilaku adalah hipotesis, dan detail iklim spasialnya kasar.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar Model kompleksitas tereduksi dijalankan dalam ansambel besarSejak: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) sumber

Model beresolusi awan global

Model atmosfer yang gridnya cukup halus, beberapa kilometer, untuk merepresentasikan konveksi dalam secara eksplisit di seluruh dunia.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah sistem awan tropis disimulasikan langsung, bukan lewat parameter?

Mengabaikan: Simulasinya pendek, dan turbulensi serta mikrofisika awan masih didekati.

Berjalan di: sekitar 10¹⁸ FLOPS kasar Berminggu-minggu waktu simulasi di mesin terbesarSejak: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) sumberDi pohon simulasi: Model global beresolusi awan

Superparameterisasi

Model beresolusi awan berskala kecil disematkan di setiap kolom model global yang kasar untuk menggantikan skema konveksi yang lazim.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah fisika awan eksplisit memperbaiki model iklim tanpa grid halus global penuh?

Mengabaikan: Model tertanamnya kecil dan tidak berbicara dengan kolom tetangga.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar Model awan 2D tersemat melipatgandakan biaya berkali-kaliSejak: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) sumber

Atribusi peristiwa ekstrem

Ansambel besar simulasi iklim dengan dan tanpa pengaruh manusia memberikan peluang gelombang panas, banjir, atau badai tertentu di tiap dunia.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar emisi manusia mengubah peluang terjadinya peristiwa tertentu ini?

Mengabaikan: Hasilnya bergantung pada seberapa baik model mereproduksi jenis peristiwa pada skala itu.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar Ratusan hingga ribuan anggota ansambelSejak: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) sumber

Ansambel fisika terganggu yang dikomputasi relawan

Ribuan salinan model iklim, masing-masing dengan parameter fisik yang sedikit berbeda, dijalankan di komputer rumahan sumbangan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa lebar rentang pemanasan yang sesuai dengan fisika model yang tidak pasti?

Mengabaikan: Struktur model tetap; hanya parameter yang divariasikan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar Puluhan ribu simulasi modelSejak: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) sumber

Ansambel besar kondisi awal

Satu model iklim dijalankan puluhan kali dari awal yang sedikit berbeda untuk memisahkan perubahan akibat forcing dari variabilitas internal.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagian mana dari tren regional yang merupakan derau iklim itu sendiri?

Mengabaikan: Ia menangkap variabilitas dalam satu model, bukan perbedaan antarmodel.

Berjalan di: sekitar 10¹⁸ FLOPS kasar Puluhan simulasi terpadu sepanjang berabad-abadSejak: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) sumber

Peniru iklim terlatih

Jaringan saraf yang dilatih pada keluaran model iklim memajukan atmosfer selama puluhan atau ratusan tahun hanya dengan sebagian kecil biayanya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah pengganti terlatih mereproduksi statistik iklim multidekade dengan cepat?

Mengabaikan: Ia mewarisi bias model pelatihannya dan bisa gagal di luar iklim yang pernah dilihatnya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar Pelatihan pada arsip model, lalu simulasi panjang yang murahSejak: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) sumber

Kembaran digital sistem Bumi

Model beresolusi tinggi planet yang diperbarui terus-menerus, diumpani pengamatan dan dibangun untuk menjawab pertanyaan bagaimana-jika bagi para pengguna.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apa yang akan terjadi pada sebuah wilayah jika sebuah keputusan atau peristiwa tertentu terjadi?

Mengabaikan: Kembarannya hanya setia sejauh model dan datanya, dan skenario interaktifnya terbatas.

Berjalan di: sekitar 10¹⁹ FLOPS kasar Model global skala kilometer ditambah asimilasiSejak: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) sumber

Model iklim radiatif-konvektif

Satu kolom atmosfer yang seimbang antara radiasi dan konveksi, dipakai untuk mencari seberapa banyak planet memanas saat karbon dioksida atau kelembapan berubah.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa hangat kolom udara menjadi ketika kadar gas rumah kacanya berlipat dua?

Mengabaikan: Ia tidak punya angin, awan, atau transpor laut, sehingga memberi pemanasan acuan, bukan prakiraan.

Berjalan di: sekitar 10⁴ FLOPS kasar kolom satu dimensi, cepat di laptop.Sejak: 1967 Kesetimbangan termal atmosfer dengan distribusi kelembapan relatif tertentu oleh Manabe dan Wetherald. sumber

Model iklim keseimbangan energi

Bumi diringkas menjadi pita lintang yang menyerap dan memancarkan panas dan mempertukarkannya lewat transpor, cukup untuk menunjukkan umpan balik es-albedo dan peralihan antarkeadaan iklim.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mungkinkah penutupan es yang tak terkendali membekukan seluruh planet?

Mengabaikan: Gambaran ini mengabaikan dinamika dan cuaca, sehingga memberi informasi tetapi tidak meramalkan.

Berjalan di: sekitar 10³ FLOPS kasar segelintir persamaan; beberapa detik di komputer mana pun.Sejak: 1969 Model iklim global Sellers berdasarkan keseimbangan energi sistem Bumi-atmosfer. sumber

Pemodelan vegetasi dan siklus karbon global dinamis

Tumbuhan, tanah, dan pertukaran karbonnya disimulasikan di seluruh dunia, dengan tipe vegetasi bersaing dan bergeser seiring iklim berubah.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak karbon yang akan diserap atau dilepas daratan seiring iklim menghangat?

Mengabaikan: Jenis tumbuhan digabung menjadi beberapa kelas fungsional, dan umpan balik nutrisi dan gangguan kasar.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar simulasi global multiabad, sering pada kisi kasar.Sejak: 1996 Model biosfer terpadu Foley dan rekan-rekannya untuk proses permukaan daratan, neraca karbon darat, dan dinamika vegetasi. sumber

Simulasi siklus karbon dan iklim terpadu

Model iklim dengan siklus karbon darat dan lautan di dalamnya, sehingga pemanasan dapat mengubah jumlah yang diserap Bumi dan berbalik memengaruhi dirinya sendiri.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah pemanasan mengubah darat dan laut dari penyerap karbon menjadi sumbernya?

Mengabaikan: Respons karbon daratan sangat beragam antarmodel karena asumsi tanah dan vegetasi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar simulasi iklim terkopel multiabad di superkomputer.Sejak: 2000 Percepatan pemanasan global akibat umpan balik siklus karbon dalam model iklim terpadu oleh Cox, Betts, Jones, Spall, dan Totterdell. sumber

Pemodelan ekosistem laut dan biogeokimia

Nutrisi, plankton, dan detritus diadveksikan dan didaur melalui laut, untuk memprediksi produktivitas dan karbon yang dibawa ke laut dalam.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak karbon yang dibawa kehidupan laut ke laut dalam?

Mengabaikan: Kelompok plankton hanyalah beberapa kompartemen gabungan dengan laju hasil penyesuaian.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar modul biogeokimia di dalam model sirkulasi umum lautan.Sejak: 1990 Model dinamika plankton berbasis nitrogen Fasham, Ducklow, dan McKelvie di lapisan campuran samudra. sumber

Parameterisasi subgrid terlatih

Jaringan saraf yang dilatih pada model beresolusi awan menggantikan aturan tulisan tangan untuk badai dan awan yang terlalu kecil bagi model iklim global yang kasar.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah model iklim kasar menangkap awan berskala kecil dengan benar dengan mempelajarinya dari model yang lebih halus?

Mengabaikan: Jaringan bisa melenceng ke keadaan tak stabil atau tidak masuk akal secara fisik ketika iklim bergerak keluar dari kondisi yang dipakai melatihnya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar pelatihan pada sekumpulan kecil simulasi halus, lalu pemakaian murah di dalam model iklim.Sejak: 2018 Representasi pembelajaran dalam proses subgrid dalam model iklim oleh Rasp, Pritchard, dan Gentine. sumber

Prakiraan cuaca numerik

Atmosfer yang diamati hari ini dimajukan beberapa jam sampai beberapa hari, biasanya sebagai ansambel dari titik awal yang sedikit berbeda.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah hujan di sini hari Kamis, dan seberapa yakin kita?

Mengabaikan: Kecakapan runtuh setelah sekitar sepuluh hari, sehalus apa pun kisinya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar superkomputer pusat cuaca nasional, beberapa persen darinya selama beberapa jam.Sejak: 1950 Prakiraan numerik pertama oleh Charney, Fjortoft, dan von Neumann.Di pohon simulasi: Ramalan komputer pertama

Cuaca terlatih mesin

Jaringan saraf yang dilatih dengan cuaca puluhan tahun lalu, menghasilkan prakiraan dalam hitungan detik, bukan jam.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah emulator yang dipelajari memprakirakan sebaik fisika yang melatihnya?

Mengabaikan: Ia mempelajari pola cuaca masa lalu, sehingga kesulitan menghadapi jenis peristiwa ekstrem yang belum pernah dilihatnya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar satu GPU kelas atas; prakiraan dalam hitungan detik, bukan jam.Sejak: 2022 model cuaca terlatih pertama yang menyamai keahlian prakiraan berbasis fisika.

Siklon tropis

Badai siklon dan topan beresolusi tinggi: lintasan, intensitas, dan curah hujannya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Di mana badai akan mendarat, dan sekuat apa?

Mengabaikan: Mata dan dinding mata badai masih lebih kecil daripada yang bisa diuraikan dengan baik oleh kebanyakan model.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster pusat prakiraan nasional, dijalankan untuk setiap badai yang aktif.Sejak: 1969 Model numerik awal Ooyama tentang perkembangan sebuah badai siklon.

Kualitas udara dan dispersi

Polutan, asap, dan abu gunung berapi dibawa, dicampur, dan diubah secara kimia oleh angin.

Pertanyaan yang dijawabnya: Ke mana gumpalan asap bergerak, dan apakah udaranya aman untuk dihirup atau dilalui pesawat?

Mengabaikan: Inventaris emisi, masukan yang menjadi tumpuan seluruh prakiraan, sering kedaluwarsa atau hanya perkiraan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar workstation atau klaster kecil, beberapa jam per peristiwa pencemaran.Sejak: 1970 model kepulan Gauss terkomputerisasi awal untuk pencemaran cerobong asap.

Prakiraan musiman

Ansambel simulasi model sepanjang iklim, dimulai dari lautan dan atmosfer hari ini, ditujukan pada peluang untuk satu musim penuh, bukan satu hari mana pun.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah musim dingin ini lebih hangat atau lebih basah daripada rata-rata?

Mengabaikan: Tidak bisa mengatakan bagaimana cuaca pada hari tertentu, hanya bagaimana peluangnya bergeser.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar superkomputer pusat prakiraan nasional, sekumpulan simulasi setiap musim.Sejak: 1986 prakiraan musiman dinamis awal memakai model yang digabungkan dengan lautan.

Badai konvektif parah

Satu badai petir atau superseluler, diuraikan hingga skala arus naik dan arus turunnya, untuk melihat apakah ia memutar menjadi tornado atau menjatuhkan hujan es besar.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah badai ini menghasilkan tornado, dan di mana?

Mengabaikan: Membutuhkan kisi yang cukup halus untuk melihat tornado, yang terlalu mahal dijalankan di mana pun badai bisa terbentuk.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster nasional, beberapa jam untuk satu badai pada resolusi sangat tinggi.Sejak: 1975 model komputer tiga dimensi awal untuk satu badai petir.

Prakiraan cuaca ansambel generatif

Model difusi mengambil sampel banyak kemungkinan cuaca dua minggu ke depan, memberikan probabilitas untuk setiap variabel pada skala global.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah model yang dipelajari memberikan ketidakpastian prakiraan yang terkalibrasi dengan murah?

Mengabaikan: Ia terikat pada data reanalisis dan tidak memberi jaminan fisik pada ekstrem yang langka.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar Pelatihan pada puluhan tahun reanalisis, hitungan menit per anggota ansambelSejak: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) sumber

Prakiraan cuaca ansambel

Prakiraan yang dijalankan berkali-kali dari keadaan awal yang sedikit berbeda, sehingga sebarannya menunjukkan seberapa tidak pasti cuaca dan seberapa besar kemungkinan tiap hasil.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa yakin prakiraan cuaca bisa dibuat, dan apa yang mungkin terjadi sebagai gantinya?

Mengabaikan: Gangguan pada keadaan awal hanya menangkap sebagian galat model, sehingga sebarannya sering terlalu sempit.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar puluhan prakiraan global setiap hari, masing-masing simulasi besar.Sejak: 1974 Kecakapan teoretis prakiraan Monte Carlo oleh Leith. sumber

Reanalisis atmosfer

Model prakiraan modern yang tetap dijalankan atas pengamatan masa lalu selama puluhan tahun, memadukannya menjadi catatan atmosfer yang konsisten dan tanpa celah.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa angin, suhu, dan tekanan di setiap tempat dan waktu di masa lalu?

Mengabaikan: Perubahan sistem pengamatan dari waktu ke waktu meninggalkan tren buatan dalam catatan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar puluhan tahun siklus asimilasi di superkomputer.Sejak: 1996 Proyek reanalisis 40 tahun NCEP/NCAR oleh Kalnay dan rekan. sumber

Simulasi eddy besar lapisan batas atmosfer

Satu kilometer terendah atmosfer, tempat pusaran turbulen mencampur panas, kelembapan, dan polutan, dengan pusaran besar dihitung langsung dan yang kecil dimodelkan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana pusaran turbulen membawa panas dan kelembapan ke atas dari tanah?

Mengabaikan: Pertukaran permukaan dan pencampuran sub-grid diparametrisasi, yang membatasi akurasi di dekat tanah.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar domain sejauh beberapa kilometer dengan resolusi puluhan meter.Sejak: 1972 Penyelidikan numerik Deardorff atas lapisan batas planet netral dan tak stabil. sumber

Simulasi beresolusi badai global

Model atmosfer seluruh planet dengan resolusi beberapa kilometer sehingga gugusan badai petir dan badai tropis muncul tanpa parameterisasi konveksi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apa yang dilakukan atmosfer ketika badai dihitung langsung, bukan didekati?

Mengabaikan: Mikrofisika awan dan turbulensi di bawah beberapa kilometer tetap diparameterisasi, dan simulasinya terlalu singkat untuk mempelajari iklim.

Berjalan di: sekitar 10¹⁹ FLOPS kasar berminggu-minggu di mesin terbesar untuk beberapa bulan simulasi.Sejak: 2008 Model atmosfer ikosahedral nonhidrostatik Satoh dan rekan untuk simulasi global pengurai awan. sumber

Emisi dan transpor debu mineral

Angin mengangkat debu gurun, membawanya melintasi laut dan mengendapkannya, untuk mengetahui dampaknya pada radiasi, nutrisi laut, dan kualitas udara.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak debu gurun yang masuk ke udara dan ke mana ia pergi?

Mengabaikan: Ambang emisi bergantung pada sifat tanah dan permukaan yang petanya buruk.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar modul debu di dalam model atmosfer selama bertahun-tahun.Sejak: 1994 Model debu mineral di atmosfer oleh Tegen dan Fung: sumber, pengangkutan, dan ketebalan optik. sumber

Pemodelan keseimbangan energi permukaan perkotaan

Jalan, atap, dan dinding diperlakukan sebagai ngarai yang bertukar panas, kelembapan, dan momentum dengan udara, untuk memprediksi pulau panas perkotaan dan kebutuhan pendinginan bangunan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa sebuah kota lebih panas daripada pedesaan di sekitarnya?

Mengabaikan: Kota diringkas menjadi ngarai ideal, sehingga detail bangunan dan panas lalu lintas diaproksimasi.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar skema ngarai di dalam model atmosfer di atas wilayah metropolitan.Sejak: 2000 Skema berbasis fisika Masson untuk anggaran energi perkotaan dalam model atmosfer. sumber

Pemodelan termosfer dan ionosfer

Atmosfer atas pada ketinggian 100 hingga 600 kilometer, dipanaskan oleh sinar matahari dan partikel, dengan angin dan arus listrik yang mengubah hambatan satelit dan sinyal radio.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana aktivitas Matahari mengubah atmosfer atas dan perambatan radio?

Mengabaikan: Batas bawah dan energi dari atas dipaksakan dari data yang jarang.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar simulasi atmosfer atas terpadu selama berhari-hari cuaca antariksa.Sejak: 1988 Model sirkulasi umum termosfer/ionosfer terkopel oleh Roble, Ridley, Richmond, dan Dickinson. sumber

Sirkulasi laut

Arus, pusaran, panas, dan garam yang bergerak melalui lautan dunia.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mungkinkah arus pembalikan besar Atlantik melambat?

Mengabaikan: Pusaran yang mencampur panas dan karbon kebanyakan lebih kecil daripada sel kisi model, sehingga efeknya harus diparametrisasi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster besar, berminggu-minggu untuk satu simulasi multidekade.Sejak: 1969 Model komputer pertama Bryan untuk sirkulasi lautan global.

Tsunami dan gelombang badai

Gelombang yang ditimbulkan gempa atau badai, melintasi samudra dan menerjang naik ke pantai.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa tinggi air akan naik, dan jalan mana yang banjir lebih dulu?

Mengabaikan: Pertahanan pesisir dan drainase biasanya disederhanakan jauh di bawah resolusi limpasan gelombang itu sendiri.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation; beberapa menit untuk satu simulasi peringatan pesisir.Sejak: 1969 Eksperimen numerik awal Aida yang memodelkan tsunami.

Sungai dan banjir

Hujan jatuh di daerah tangkapan, meresap atau mengalir ke anak sungai, sungai, dan dataran banjir.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar banjir yang dibuat badai ini, dan di mana?

Mengabaikan: Tanah dan tata guna lahan dirata-ratakan di seluruh daerah tangkapan, sehingga satu ladang atau parit yang benar-benar banjir tersembunyi.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop; satu simulasi daerah tangkapan air memakan waktu beberapa menit.Sejak: 1966 Model hujan-limpasan Stanford Watershed Crawford dan Linsley.

Air tanah

Air yang bergerak perlahan melalui tanah dan batuan di akuifer.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa lama kita bisa memompa akuifer ini sebelum sumurnya kering?

Mengabaikan: Sifat batuan dan tanah bawah permukaan dipetakan dari lubang bor yang berjarak ratusan meter, sehingga sebagian besar akuifer hanya disimpulkan.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop atau workstation; beberapa menit hingga jam per akuifer.Sejak: 1968 Model akuifer beda hingga awal Pinder dan Bredehoeft.

Es laut

Es terapung di permukaan laut, retak, menumpuk, hanyut, dan mencair di bawah angin, ombak, dan kehangatan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa banyak Samudra Arktik yang masih tertutup es pada akhir musim panas?

Mengabaikan: Memperlakukan hamparan lempeng es yang retak dan bergelombang yang beragam sebagai lembaran mulus yang kontinu.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster universitas atau nasional, berminggu-minggu digabungkan dengan simulasi lautan.Sejak: 1969 model komputer awal untuk es laut Arktik yang hanyut.

Prakiraan gelombang laut

Angin yang bertiup di atas perairan terbuka, membangkitkan dan mengarahkan ombak besar dan riak, dilacak untuk meramalkan tinggi dan arah gelombang bagi kapal dan pantai.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa berombak laut di sini besok?

Mengabaikan: Berkinerja buruk pada puncak gelombang pecah yang paling curam, yang paling penting bagi keselamatan maritim.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster pusat prakiraan nasional, dijalankan beberapa kali sehari.Sejak: 1956 prakiraan gelombang numerik awal mengikuti metode prediksi ombak besar masa perang.

Pemodelan genangan banjir

Air dari sungai atau badai yang menyebar di dataran banjir pada kisi medan, untuk memetakan kedalaman dan jangkauan bagi asuransi dan perencanaan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Jalan dan ladang mana yang terendam saat banjir?

Mengabaikan: Akurasi medan dan hidrograf aliran masuk mendominasi galatnya, bukan numeriknya.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar model air dangkal atau raster dua dimensi dari sebuah daerah aliran sungai.Sejak: 2000 Model berbasis raster sederhana Bates dan De Roo untuk simulasi genangan banjir. sumber

Pemodelan sirkulasi pesisir dan muara

Pasang surut, sungai, dan angin yang menggerakkan air, garam, dan sedimen melalui teluk dan muara pada kisi yang mengikuti medan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana pasang surut dan sungai mencampur air di sepanjang pesisir?

Mengabaikan: Kesalahan pencampuran skala kecil dan batimetri membatasi akurasi di dekat pantai.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar model regional tiga dimensi dengan simulasi selama setahun.Sejak: 1987 Uraian Blumberg dan Mellor tentang model sirkulasi lautan pesisir tiga dimensi. sumber

Pemodelan puing laut dan hanyutan Lagrangian

Partikel virtual yang dibawa arus laut simulasi atau teramati untuk menemukan ke mana plastik, minyak, atau larva yang mengapung pergi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Ke mana plastik yang mengapung dari sebuah pantai berakhir?

Mengabaikan: Pengaruh angin, hanyutan gelombang, dan tenggelam atau pecahnya partikel kurang diketahui.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar jutaan partikel diadveksikan melalui aliran laut selama setahun.Sejak: 2012 van Sebille, England, dan Froyland, asal-usul, dinamika, dan evolusi kawasan sampah laut dari pelampung permukaan yang teramati. sumber

Simulasi reservoir minyak dan gas bumi

Minyak, gas, dan air mengalir melalui pori reservoir batuan menuju sumur, untuk merencanakan pengeboran dan memprediksi berapa banyak yang bisa dipulihkan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak minyak yang akan dihasilkan sebuah ladang, dan di mana sumur harus dibuat?

Mengabaikan: Sifat batuan di antara sumur disimpulkan dari data jarang, sehingga ketidakpastiannya biasanya lebih besar daripada numeriknya.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar aliran multifase dalam model geologi berjuta sel.Sejak: 1955 Solusi numerik persamaan diferensial parabolik dan eliptik oleh Peaceman dan Rachford, dasar simulator reservoir awal. sumber

Penyesuaian isostatik glasial dan sidik jari permukaan laut

Kerak Bumi yang memantul kembali saat lapisan es mencair dan samudra mendistribusikan ulang, untuk memprediksi perubahan permukaan laut regional dan medan gravitasi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa permukaan laut turun di sebagian tempat ketika es mencair dan naik di tempat lain?

Mengabaikan: Viskositas mantel di bawah lempeng kurang terbatasi dan bervariasi dari wilayah ke wilayah.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar model Bumi viskoelastis yang diselesaikan pada sebuah bola.Sejak: 1976 Perhitungan Farrell dan Clark tentang permukaan laut pascaglasial. sumber

Simulasi penyimpanan karbon dioksida geologis

Karbon dioksida yang disuntikkan menyebar, naik, dan larut dalam formasi batuan asin, dengan penjebakan oleh batuan penutup, kapilaritas, dan reaksi mineral yang diikuti selama berabad-abad.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah gas tetap berada di bawah tanah, dan ke mana ia pergi?

Mengabaikan: Batuan di bawah lubang bor hanya diketahui dari beberapa sumur dan survei, sehingga permeabilitas dan sesar ditebak dengan ketidakpastian lebar.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar berminggu-minggu di sebuah klaster untuk model skala cekungan selama ribuan tahun.Sejak: 2002 Perbandingan antarkode numerik Lawrence Berkeley untuk pembuangan geologis CO2. sumber

Transpor reaktif di bawah permukaan

Air yang membawa bahan kimia melalui batuan atau tanah sementara mineral larut, mengendap, dan bertukar ion, diselesaikan bersama aliran.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana kimia dan sistem pipa sebuah akuifer atau tempat penyimpanan saling mengubah dari waktu ke waktu?

Mengabaikan: Laju reaksi yang diukur di laboratorium diterapkan pada batuan yang luas permukaan reaktifnya di dalam tanah tidak diketahui.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar berhari-hari di klaster untuk lokasi lapangan tiga dimensi.Sejak: 1985 Model kontinum Lichtner untuk reaksi kimia dan transpor massa terkopel dalam sistem hidrotermal. sumber

Konveksi mantel dan tektonik lempeng

Batuan panas yang merayap di dalam planet selama ratusan juta tahun, membawa lempeng-lempeng di atasnya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa Bumi punya tektonik lempeng sementara tetangganya tidak?

Mengabaikan: Menjalankan jutaan tahun tersimulasi sekaligus, sehingga tidak bisa pula menunjukkan satu gempa.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster universitas, berminggu-minggu untuk satu simulasi panjang.Sejak: 1974 Model konveksi mantel numerik pertama oleh McKenzie, Roberts, dan Weiss.

Gempa bumi dan gelombang seismik

Patahan yang pecah dan gelombang yang menyebar melalui kerak untuk mengguncang tanah.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa keras kota ini akan berguncang bila sesar itu patah?

Mengabaikan: Titik awal pecahnya sesar dan kekasaran sesar yang persis masih diasumsikan, bukan diketahui sebelumnya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster nasional atau universitas, berhari-hari untuk satu pecahnya patahan besar.Sejak: 1968 Model beda hingga awal Alterman dan Karal untuk gelombang seismik.

Letusan gunung api dan aliran lava

Magma naik, meletus, dan mengalir menuruni lereng sebagai lava, abu, atau awan panas yang bergerak cepat.

Pertanyaan yang dijawabnya: Desa mana yang terletak di jalur jika gunung api meletus?

Mengabaikan: Tidak bisa memprediksi kapan letusan dimulai, hanya apa yang terjadi setelah letusan terjadi.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation atau klaster kecil, beberapa jam per skenario.Sejak: 1980 model komputer awal untuk lava yang mengalir menuruni lereng dari lubang kawah.

Evolusi lanskap

Sungai mengukir lembah, lereng merayap, dan pesisir terkikis selama ribuan hingga jutaan tahun.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana lanskap ini mendapatkan bentuknya?

Mengabaikan: Memadatkan jutaan tahun ke dalam satu simulasi, sehingga badai atau longsoran batu tunggal mana pun terhaluskan.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation; berhari-hari untuk lanskap sejuta tahun.Sejak: 1991 Model awal evolusi lanskap yang dihitung secara komputasi oleh Willgoose dan rekan.

Penyebaran kebakaran hutan

Api bergerak melintasi bahan bakar, medan, dan angin, sel demi sel.

Pertanyaan yang dijawabnya: Di mana garis depan api enam jam lagi?

Mengabaikan: Angin, pendorong terbesar perilaku api yang nyata, biasanya disederhanakan menjadi rata-rata yang tetap.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation atau laptop; beberapa menit untuk garis api yang menyebar.Sejak: 1972 Persamaan penyebaran api Rothermel, segera dikomputerisasi untuk prakiraan.

Jalankan model interaktif

Longsor dan aliran puing

Lereng tanah, batu, atau lumpur yang runtuh dan bergerak menuruni bukit, dilacak saat ia dipercepat, menyebar, dan mengubur medan di bawahnya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa jauh lereng ini akan bergerak setelah runtuh, dan seberapa cepat?

Mengabaikan: Saat sebuah lereng benar-benar gagal masih lebih sulit diprediksi daripada apa yang terjadi sesudahnya.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation atau klaster kecil, beberapa jam per skenario lereng.Sejak: 1980 model luncuran komputer awal untuk lereng yang runtuh.

Bahaya seismik berbasis fisika

Simulasi pecahnya gempa dan perambatan gelombang menggantikan aturan atenuasi empiris untuk memberi guncangan di setiap lokasi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa kuat tanah akan berguncang di sini untuk setiap kemungkinan patahan?

Mengabaikan: Membutuhkan model kecepatan yang diketahui, dan frekuensi tinggi sulit diurai.

Berjalan di: sekitar 10¹⁸ FLOPS kasar Banyak skenario pecahnya patahan, masing-masing simulasi gelombang 3DSejak: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) sumber

Simulasi geodinamo

Konveksi besi cair di inti Bumi yang membangkitkan dan mempertahankan medan magnet, termasuk pembalikannya yang acak.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana inti Bumi membuat medan magnetnya, dan mengapa medan itu berbalik?

Mengabaikan: Nilai viskositas dan konduktivitas jauh dari yang nyata, sehingga alirannya jauh lebih mulus daripada di dalam Bumi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁸ FLOPS kasar bulan di superkomputer untuk dinamo yang masih berjalan jauh dari kondisi mirip Bumi.Sejak: 1995 Simulasi swakonsisten tiga dimensi pembalikan medan geomagnetik oleh Glatzmaier dan Roberts. sumber

Inversi seismik gelombang penuh

Gelombang seismik dijalankan berulang melalui model Bumi percobaan, yang disesuaikan sampai gelombang sintetis dan yang terekam cocok, untuk mencitrakan struktur batuan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa batuan di bawah kita, sebagaimana dilihat oleh gelombang yang melintasinya?

Mengabaikan: Inversi bisa terkunci pada solusi yang salah kecuali model awalnya dekat.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar ribuan simulasi gelombang di dalam lingkaran optimasi.Sejak: 1984 Inversi data refleksi seismik oleh Tarantola dalam pendekatan akustik. sumber

Perambatan gelombang seismik elemen spektral

Gelombang gempa yang merambat melalui model tiga dimensi kerak atau seluruh Bumi dengan elemen orde tinggi yang mengikuti topografi dan lapisan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana gelombang merambat melalui Bumi yang nyata dan bergumpal-gumpal?

Mengabaikan: Model Bumi tidak pasti pada struktur skala kecil dan atenuasi, sehingga periode pendek kurang andal.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar simulasi seluruh Bumi yang mampu menangkap periode hingga beberapa detik.Sejak: 1998 Metode elemen spektral Komatitsch dan Vilotte untuk respons seismik struktur dua dan tiga dimensi. sumber

Simulasi siklus gempa

Patahan yang dibebani perlahan oleh gerakan lempeng, dengan gesekan yang menyangkut dan tergelincir, disimulasikan melalui banyak siklus penumpukan tenang dan pecah mendadak.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana gempa berulang pada sebuah sesar selama berabad-abad?

Mengabaikan: Hukum gesekan diturunkan di laboratorium dan diekstrapolasi ke kedalaman dan kecepatan yang tidak pernah diukur.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar siklus sesar laju-dan-keadaan selama ribuan tahun.Sejak: 1986 Ketidakstabilan gempa kerak oleh Tse dan Rice terkait variasi kedalaman sifat selip gesekan. sumber

Model katalog gempa bumi stokastik

Urutan gempa sintetis dihasilkan dari model statistik yang setiap guncangannya menaikkan peluang gempa susulan, untuk meramalkan pengelompokan dan bahaya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar kemungkinan gempa susulan setelah gempa besar?

Mengabaikan: Model ini menangkap pengelompokan statistik tetapi tidak punya fisika tegangan sesar.

Berjalan di: sekitar 10⁶ FLOPS kasar katalog stokastik berbiaya rendah, dan ansambel panjang bisa dijalankan di workstation.Sejak: 1988 Model statistik Ogata untuk kejadian gempa dan analisis residu untuk proses titik. sumber

Model permukaan daratan

Pertukaran air, panas, dan karbon dioksida antara tanah, tumbuhan, dan udara, ditulis sebagai komponen permukaan untuk model atmosfer dan iklim.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana tumbuhan dan tanah mengendalikan panas dan air yang bergerak antara tanah dan udara?

Mengabaikan: Vegetasi digambarkan dengan beberapa parameter per sel, dan gerak air di tanah sangat disederhanakan.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar kolom satu dimensi per sel grid di dalam model iklim.Sejak: 1986 Model biosfer sederhana Sellers, Mintz, Sud, dan Dalcher untuk dipakai dalam model sirkulasi umum. sumber

Model api dan atmosfer terpadu

Garis api dan angin yang ditimbulkannya diselesaikan bersama, sehingga panas dari api menarik udara masuk, mengubah aliran, dan pada gilirannya mengubah cara api menyebar serta melontarkan bara dan asap.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana api membentuk ulang angin yang mendorongnya?

Mengabaikan: Pembakaran dan bahan bakar direpresentasikan dengan hukum laju sederhana, sehingga perilaku ekstrem seperti kebakaran tajuk dan lompatan bara hanya tertangkap kasar.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar berhari-hari di klaster untuk satu kebakaran besar dengan resolusi puluhan meter.Sejak: 1996 Model gabungan atmosfer-api Clark, Jenkins, dan Coen untuk dinamika garis api. sumber