地球と気候

地球システムモデル

大気、海洋、海氷、陸地、炭素循環を地球規模の格子で結合し、何世紀にもわたって動かします。

答える問い: ある排出の経路のもとで、地球はどれくらい温暖化するでしょうか。

含まれないもの： 雲は今もパラメータ化で表されており、モデルどうしの食い違いの最大の原因になっています。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 国のスーパーコンピューターの大きな割合を、数か月最初の年： 1969 Manabe と Bryan による、最初の海洋・大気結合気候モデル。シミュレーションのツリーで: 海洋と大気の結合モデル

古気候

同じモデルを氷期や悠久の時間にわたって走らせます。大陸、軌道、大気は、そのたびに違います。

答える問い: 何が氷期のきっかけになったのでしょうか。また、過去は気候がどれだけ敏感かについて何を教えてくれるでしょうか。

含まれないもの： 古代の海岸線、氷、植生を乏しい証拠から再構成し、既知の入力として扱います。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 現代の気候計算と同程度で、スーパーコンピューターの割り当てを数か月。最初の年： 1977 Manabe と Hahn による、氷期の気候を扱った最初の大循環モデルのシミュレーション。

氷床と海面

氷河や氷床が流れ、融け、海へ崩れ落ちます（カービング）。

答える問い: 氷床は、今世紀に海面をどれくらい速く押し上げうるでしょうか。

含まれないもの： 氷が突然割れて滑る物理は、今もうまく捉えられていません。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 大学のクラスター、シミュレートした1世紀につき数日から数週間。最初の年： 1976 Mahaffy による、氷床の初期の差分法コンピューターモデル。

統合評価モデル

エネルギー、経済、土地利用、気候をひとつのモデルにつなぎ、政策の道筋を比べるのに使います。

答える問い: エネルギーと土地利用のどんな組み合わせなら温暖化を一定の限度以下に抑えられ、そのコストはどれくらいでしょうか。

含まれないもの： 経済全体と気候を数本の方程式に単純化するため、答えは選んだ割引率に大きく左右されます。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 ノートパソコン。1回の実行は数秒から数分で済みます。最初の年： 1992 Nordhaus の DICE モデル。広く使われた最初の気候・経済モデル。

地域気候のダウンスケーリング

全球気候モデルの粗い出力を使って、ある国や山脈ひとつを対象にした、より細かい地域モデルを動かします。

答える問い: 地球温暖化は、この谷の天気にとって実際に何を意味するでしょうか。

含まれないもの： どの全球モデルの中に入れ子になっていても、その偏りを受け継ぎます。ただ解像度が高いだけです。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 国のクラスター、地域の予測1つにつき数週間。最初の年： 1989 限られた領域で動かした、初期の入れ子の地域気候モデル。

太陽地球工学

成層圏上層に反射性の粒子を注入するといった、意図的な介入を加えて動かした気候モデルで、何が変わるかを調べます。

答える問い: 入ってくる太陽光をあえて減らすことで温暖化を相殺できるでしょうか。また、どんな副作用があるでしょうか。

含まれないもの： この種の介入は大規模に行われたことがないため、結果はすべて、そのような展開で観測されたことのないエアロゾルをモデルがどれだけうまく表せるかにかかっています。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 国のスーパーコンピューターの大きな割合を、数か月最初の年： 1992 火山噴火のような仮想的な介入を試した、初期の気候モデル実験。

世界・地球モデル

人間の行動の単純な動的表現と結びつけた気候モデル。排出、政策、社会の変化が、地球の状態に応じて変わります。

答える問い: 社会的なティッピングと気候のフィードバックは、何世紀にもわたってどう影響し合うでしょうか。

含まれないもの： 行動のルールは仮説であり、空間的な気候の細部は粗いです。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 簡略化したモデルを大規模なアンサンブルで動かす最初の年： 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) 出典

全球の雲解像モデル

対流を全地球で明示的に表現できるほど、格子が数キロメートルと細かい大気モデル。

答える問い: 熱帯の雲の系を、パラメーターを通してではなく、直接シミュレートできるでしょうか。

含まれないもの： 計算は短く、乱流と雲の微物理は、いまも近似されています。

動かすのに必要： 約10¹⁸ FLOPS 概算 最大級のマシンで、シミュレートした時間で数週間分です最初の年： 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) 出典シミュレーションのツリーで: 全球雲解像モデル

超パラメータ化

粗い全球モデルの各柱の中に、小さな雲解像モデルを埋め込み、通常の対流スキームの代わりにします。

答える問い: 明示的な雲の物理は、全球を細かい格子にしなくても、気候モデルを改善できるでしょうか。

含まれないもの： 組み込まれたモデルは小さく、隣の柱とはやり取りしません。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 2次元の雲モデルを埋め込むとコストが何倍にもなります最初の年： 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) 出典

極端な現象の要因分析

人間の影響がある場合とない場合の気候計算の大規模アンサンブルから、それぞれの世界で特定の熱波、洪水、嵐が起きる確率がわかります。

答える問い: 人間の排出は、この特定の現象が起こる確率をどれくらい変えたでしょうか。

含まれないもの： 結果は、モデルがそのスケールでその種類の現象をどれだけうまく再現するかに左右されます。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 数百から数千のアンサンブルメンバー最初の年： 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) 出典

ボランティア計算による摂動物理アンサンブル

気候モデルの数千のコピーを、物理パラメーターを少しずつ変えて、寄付された家庭用コンピューターで動かします。

答える問い: 不確かなモデルの物理と整合する温暖化の幅は、どれくらい広いでしょうか。

含まれないもの： モデルの構造は固定されており、変わるのはパラメーターだけです。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 数万回のモデル実行最初の年： 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) 出典

初期条件の大規模アンサンブル

ひとつの気候モデルを、わずかに異なる初期状態から数十回動かし、強制による変化と内部変動を切り分けます。

答える問い: 地域的な傾向のうち、どこまでが気候自体のゆらぎでしょうか。

含まれないもの： 一つのモデルの内側でのばらつきは捉えますが、モデル同士の違いは捉えません。

動かすのに必要： 約10¹⁸ FLOPS 概算 数十本の、何世紀にもわたる連成した実行最初の年： 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) 出典

学習型の気候エミュレーター

気候モデルの出力で訓練したニューラルネットワークが、ごくわずかなコストで大気を数十年から数世紀ぶん進めます。

答える問い: 訓練済みの代理モデルは、数十年にわたる気候の統計を素早く再現できるでしょうか。

含まれないもの： 学習に使ったモデルの偏りを受け継ぎ、見たことのない気候では失敗するかもしれません。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 モデルのアーカイブで学習し、そのあと長い計算も軽く走らせられます最初の年： 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) 出典

地球システムのデジタルツイン

観測を取り込んで更新され続ける、惑星の高解像度モデル。利用者が「もしこうなったら」を問えるように作られています。

答える問い: ある決定や出来事が起きたら、ある地域に何が起こるでしょうか。

含まれないもの： ツインは、モデルとデータが正確である程度にしか忠実ではなく、対話的なシナリオには限りがあります。

動かすのに必要： 約10¹⁹ FLOPS 概算 キロメートル規模の全球モデルとデータ同化最初の年： 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) 出典

放射対流気候モデル

放射と対流のつりあった大気の1本の柱。二酸化炭素や湿度が変わったとき、惑星がどれだけ温まるかを求めます。

答える問い: 温室効果ガスが2倍になると、空気の柱はどれくらい温まるでしょうか。

含まれないもの： 風、雲、海洋輸送がないため、予測ではなく、基準となる温暖化を示します。

動かすのに必要： 約10⁴ FLOPS 概算 1次元の柱で、ノートパソコンなら速い。最初の年： 1967 Manabe と Wetherald による、相対湿度の分布を与えた大気の熱平衡。 出典

エネルギー収支気候モデル

地球を緯度帯に単純化し、熱を吸収して放出し、輸送によってやりとりします。氷のアルベドのフィードバックと、気候状態のあいだの転換を示すには十分です。

答える問い: 氷の暴走的な拡大が、惑星全体を凍らせるのでしょうか。

含まれないもの： この図は動的な変化と天候を無視しているので、参考にはなりますが、予報にはなりません。

動かすのに必要： 約10³ FLOPS 概算 少数の方程式。どんなコンピューターでも数秒。最初の年： 1969 Sellers による、地球・大気系のエネルギー収支にもとづく全球気候モデル。 出典

動的全球植生と炭素循環のモデリング

植物、土壌、それらの炭素交換を地球全体でシミュレートします。植生の型は競争し、気候が変わると移り変わります。

答える問い: 気候が温暖化するにつれて、陸地はどれくらいの炭素を吸収または放出するでしょうか。

含まれないもの： 植物の種類は少数の機能グループにまとめられており、栄養塩と攪乱のフィードバックは粗いものです。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 数世紀にわたる全球計算。たいてい粗い格子で行います。最初の年： 1996 Foley らによる、陸面過程、陸域の炭素収支、植生動態を統合した生物圏モデル。 出典

炭素循環と気候の連成シミュレーション

陸と海の炭素循環を組み込んだ気候モデル。温暖化によって地球が吸収する量が変わり、それが自分自身にフィードバックします。

答える問い: 温暖化によって、陸と海は、炭素の吸収源から排出源に変わるでしょうか。

含まれないもの： 土壌と植生の仮定が違うため、陸域の炭素応答はモデルによって大きく異なります。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 スーパーコンピューターで、数世紀にわたる結合気候計算。最初の年： 2000 Cox、Betts、Jones、Spall、Totterdell による、連成気候モデルにおける炭素循環のフィードバックによる地球温暖化の加速。 出典

海洋の生態系と生物地球化学のモデリング

海の中で栄養塩、プランクトン、デトリタスが移流し循環する様子から、生産性と深海に運ばれる炭素を予測します。

答える問い: 海の生き物は、どれくらいの炭素を深海に運ぶでしょうか。

含まれないもの： プランクトンのグループは、フィットさせた速度を持つ少数のひとまとめの区画にすぎません。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 海洋大循環モデルの中の生物地球化学モジュール。最初の年： 1990 Fasham、Ducklow、McKelvie による、海洋の混合層におけるプランクトンの動態の窒素ベースのモデル。 出典

学習型のサブグリッド・パラメータ化

雲解像モデルで訓練したニューラルネットワークが、粗い全球気候モデルでは扱えないほど小さい嵐や雲について、手書きのルールを置き換えます。

答える問い: 粗い気候モデルは、より細かいモデルから学ぶことで、小さなスケールの雲を正しく扱えるでしょうか。

含まれないもの： 気候が学習した条件の外に出ると、ネットワークは不安定な状態や非物理的な状態へ流れていくことがあります。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 少数の精密なシミュレーションで学習させ、そのあと気候モデルの中で軽い計算で使います。最初の年： 2018 Rasp、Pritchard、Gentine による、気候モデルのサブグリッド過程の深層学習による表現。 出典

数値天気予報

今日観測された大気を数時間から数日先まで進めます。たいていは、出発点を少しずつ変えたアンサンブルとして行います。

答える問い: 木曜日、ここで雨は降るでしょうか。また、どれくらい確かでしょうか。

含まれないもの： 格子をどれだけ細かくしても、予測の精度は約10日を過ぎると崩れます。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 国の気象センターのスーパーコンピューター、そのうち数パーセントを数時間。最初の年： 1950 Charney、Fjortoft、von Neumann による、最初の数値予報。シミュレーションのツリーで: 最初のコンピューター予報

機械学習による天気

数十年分の過去の天気で訓練したニューラルネットワークが、数時間ではなく数秒で予報を出します。

答える問い: 学習したエミュレーターは、訓練に使った物理と同じくらいよく予報できるでしょうか。

含まれないもの： 過去の天気のパターンを学習するため、まだ見たことのない種類の極端現象は苦手です。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 ハイエンドのGPU1枚。予報は数時間ではなく数秒で出ます。最初の年： 2022 物理ベースの予報の精度に並んだ、最初の学習型の気象モデル。

熱帯低気圧

ハリケーンと台風を高解像度で。進路、強さ、降水量を扱います。

答える問い: 嵐はどこに上陸し、どれだけ強いでしょうか。

含まれないもの： 目と壁雲は、ほとんどのモデルがまともに解像できるものより、まだ小さいです。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 国の予報センターのクラスター、活動中の嵐ごとに実行。最初の年： 1969 Ooyama による、ハリケーンの発達の初期の数値モデル。

大気質と拡散

汚染物質、煙、火山灰が、風に運ばれ、混ざり、化学的に変化します。

答える問い: プルームはどこへ向かい、その空気は吸っても、飛んでも安全でしょうか。

含まれないもの： 排出量の目録は、予報全体が依存する入力ですが、古かったり推定だったりすることがよくあります。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 ワークステーションまたは小規模なクラスター、汚染の事象1つにつき数時間。最初の年： 1970 煙突の汚染の、初期のコンピューター化されたガウシアン・プルーム・モデル。

季節予報

今日の海洋と大気から始めた、気候の長さにわたるモデル実行のアンサンブル。ある1日ではなく、季節全体の確率を狙います。

答える問い: この冬は、平年より暖かいでしょうか、それとも雨が多いでしょうか。

含まれないもの： ある日の天気がどうなるかは言えず、確率がどうずれるかしか言えません。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 国の予報センターのスーパーコンピューター、毎シーズンに複数回の実行のアンサンブル。最初の年： 1986 海洋と結合したモデルを用いた、初期の力学的な季節予報。

激しい対流性の嵐

ひとつの雷雨またはスーパーセルを、上昇気流と下降気流の規模まで解像し、竜巻が発生するか、大きなひょうが降るかを調べます。

答える問い: この嵐は竜巻を生むでしょうか。また、どこでしょうか。

含まれないもの： 竜巻が見えるほど細かい格子が必要で、嵐が生まれうるあらゆる場所で動かすには計算が重すぎます。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 国のクラスター、非常に高い解像度で1つの嵐に数時間。最初の年： 1975 1つの雷雨の、初期の3次元コンピューター・モデル。

生成型のアンサンブル天気予報

拡散モデルが、今後2週間の天気の起こりうる未来を多数サンプリングし、地球規模ですべての変数について確率を示します。

答える問い: 学習したモデルは、較正された予報の不確実性を、安く提供できるでしょうか。

含まれないもの： 再解析データに結びついており、まれな極端現象については物理的な保証がありません。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 数十年分の再解析で学習し、アンサンブルメンバー1つあたり数分です。最初の年： 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) 出典

アンサンブル天気予報

わずかに異なる初期状態から何度も動かした予報。ばらつきを見れば、天気がどれだけ不確かか、それぞれの結果がどれだけ起こりやすいかがわかります。

答える問い: 天気予報はどれくらい確かで、代わりに何が起こりうるでしょうか。

含まれないもの： 初期状態の摂動はモデルの誤差の一部しか捉えられないので、ばらつきの幅が狭すぎることがよくあります。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 毎日数十の全球予報、それぞれが大規模な実行。最初の年： 1974 Leith による、モンテカルロ予報の理論的な予測精度。 出典

大気の再解析

固定した最新の予報モデルを数十年ぶんの過去の観測にあてはめ、観測を混ぜ合わせて、大気の矛盾のない、欠けのない記録にします。

答える問い: 過去のあらゆる場所と時刻で、風、気温、気圧はどうだったでしょうか。

含まれないもの： 観測システムが時間とともに変わることで、記録に人為的な傾向が残ります。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 スーパーコンピューターで数十年ぶんの同化サイクル。最初の年： 1996 Kalnay らによる NCEP/NCAR の40年再解析プロジェクト。 出典

大気境界層のラージ・エディ・シミュレーション

大気のいちばん下の1キロメートルで、乱流の渦が熱、水蒸気、汚染物質を混ぜます。大きな渦は解像し、小さな渦はモデル化します。

答える問い: 乱流の渦は、地面から熱と水分をどのように上へ運ぶでしょうか。

含まれないもの： 表面での交換とサブグリッドの混合はパラメータ化されており、地面付近の精度が制限されます。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 数キロメートルの領域を、数十メートルの解像度で。最初の年： 1972 Deardorff による、中立および不安定な惑星境界層の数値的研究。 出典

全球の嵐解像シミュレーション

解像度が数キロメートルの全球大気モデル。対流のパラメータ化なしに、雷雨の群れや熱帯の嵐が現れます。

答える問い: 嵐を近似するのではなく解像すると、大気はどう振る舞うでしょうか。

含まれないもの： 数キロメートル以下の雲の微物理と乱流は今もパラメータ化されており、実行が短すぎて気候を調べられません。

動かすのに必要： 約10¹⁹ FLOPS 概算 最大級のマシンで数週間かけて、シミュレートした数か月分を動かします。最初の年： 2008 Satoh らによる、全球の雲解像シミュレーションのための非静力学正二十面体大気モデル。 出典

鉱物粉塵の放出と輸送

風が砂漠の塵を巻き上げ、海を越えて運び、降らせるようすで、放射、海洋の栄養、大気の質への影響を調べます。

答える問い: 砂漠の砂塵は、どれくらい大気に入り、どこへ行くでしょうか。

含まれないもの： 放出のしきい値は、地図化が十分でない土壌と地表の性質に左右されます。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 数年にわたる、大気モデルの中のダスト・モジュール。最初の年： 1994 Tegen と Fung による、大気中の鉱物ダストのモデルで、発生源、輸送、光学的厚さを扱います。 出典

都市表面のエネルギー収支モデリング

街路、屋根、壁を、空気と熱、水分、運動量をやり取りする谷間として扱い、都市のヒートアイランドと建物の冷却需要を予測します。

答える問い: 都市が、周囲の田園より暑いのはなぜでしょうか。

含まれないもの： 都市は理想化された谷に単純化されているため、建物の細部と交通の熱は近似です。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 大都市圏の大気モデルの中にある、ビル谷（キャニオン）のスキーム。最初の年： 2000 Masson による、大気モデルのための都市のエネルギー収支の物理に基づく手法。 出典

熱圏と電離圏のモデリング

高度100〜600キロメートルの上層大気で、太陽光と粒子に温められ、衛星の抗力と電波信号を変える風と電流があります。

答える問い: 太陽活動は、上層大気と電波の伝わり方をどう変えるでしょうか。

含まれないもの： 下側の境界と上からのエネルギーは、乏しいデータから与えられています。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 宇宙天気の数日間にわたる、連成した超高層大気のシミュレーション。最初の年： 1988 Roble、Ridley、Richmond、Dickinson による、熱圏・電離圏の結合大循環モデル。 出典

海洋循環

世界の海を動く海流、渦、熱、塩分。

答える問い: 大西洋の大きな子午面循環（深層の大循環）は、弱まることがあるのでしょうか。

含まれないもの： 熱や炭素を混ぜる渦は、たいていグリッドより小さいので、その効果はパラメータ化しなければなりません。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 大型のクラスター、数十年にわたる実行に数週間。最初の年： 1969 Bryan による、全球の海洋循環の最初のコンピューター・モデル。

津波と高潮

地震や嵐が起こす波が海を渡り、海岸に駆け上がります。

答える問い: 水はどこまで届き、どの通りが最初に浸水するでしょうか。

含まれないもの： 沿岸の防御と排水は、遡上そのものの解像度よりはるかに粗く単純化されるのが普通です。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 ワークステーション。沿岸の警報の実行に数分。最初の年： 1969 Aida による、津波をモデル化した初期の数値実験。

河川と洪水

集水域に降った雨が、しみ込んだり、小川、河川、氾濫原へ流れ出たりします。

答える問い: この嵐でどれくらいの規模の洪水が、どこで起きるでしょうか。

含まれないもの： 土壌と土地利用は集水域で平均されるので、実際に氾濫する1枚の畑や1本の谷は見えなくなります。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 ノートパソコン。集水域の実行は数分で済みます。最初の年： 1966 Crawford と Linsley による、スタンフォード流域の降雨流出モデル。

地下水

帯水層の土壌と岩石の中をゆっくり動く水です。

答える問い: 井戸が枯れるまで、この帯水層をどれくらい汲み上げられるでしょうか。

含まれないもの： 地下の岩石と土壌の性質は数百メートル離れたボーリングから描かれるので、帯水層の大部分は推定です。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 ノートパソコンまたはワークステーション、帯水層1つにつき数分から数時間。最初の年： 1968 Pinder と Bredehoeft による、初期の帯水層の差分法モデル。

海氷

海面に浮かぶ氷が、風、波、暖かさのもとで、割れ、盛り上がり、漂い、融けます。

答える問い: 夏の終わりに、北極海のどれくらいがまだ氷に覆われているでしょうか。

含まれないもの： ひび割れ、隆起した氷盤が入り交じる不均一な場を、なめらかな連続した1枚の板として扱います。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 大学または国のクラスター、海洋モデルとの連成で数週間。最初の年： 1969 漂流する北極の海氷の、初期のコンピューター・モデル。

波浪予報

外洋を吹く風が、うねりと波立ちを生み、その向きを変えるようすを追い、船と海岸のために波の高さと向きを予報します。

答える問い: 明日、このあたりの海はどれくらい荒れるでしょうか。

含まれないもの： 最も急な、砕ける波頭では性能が悪く、そこは海上の安全にとっていちばん重要です。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 国の予報センターのクラスター、1日に数回実行。最初の年： 1956 戦時中のうねりの予測法に続く、初期の数値波浪予報。

洪水の浸水モデリング

川や嵐からの水が、地形のグリッドの上で氾濫原に広がるようすで、保険と計画のために水深と範囲を地図にします。

答える問い: 洪水のとき、どの道や畑が水に沈むでしょうか。

含まれないもの： 誤差を支配するのは数値計算ではなく、地形の精度と流入ハイドログラフです。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 河川流域の2次元の浅水モデルまたはラスターモデルです。最初の年： 2000 Bates と De Roo による、洪水の浸水シミュレーションの単純なラスターベースのモデル。 出典

沿岸と河口の循環のモデリング

潮、川、風が、地形に沿った格子の上で、水、塩分、堆積物を湾や河口に運びます。

答える問い: 潮と川は、海岸沿いでどのように水を混ぜるでしょうか。

含まれないもの： 小規模な混合と水深データの誤差が、沿岸付近の精度を制限します。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 1年分の実行をする3次元の地域モデルです。最初の年： 1987 Blumberg と Mellor による、3次元の沿岸海洋循環モデルの記述。 出典

海洋ごみとラグランジュ的な漂流のモデリング

シミュレートされた、または観測された海流に運ばれる仮想の粒子で、浮遊するプラスチック、油、幼生がどこへ行くかを調べます。

答える問い: 海岸から流れ出たプラスチックごみは、どこへ行き着くでしょうか。

含まれないもの： 風圧、波による漂流、粒子の沈降や破砕は、よくわかっていません。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 1年分の海流に乗せて数百万の粒子を移流させます。最初の年： 2012 van Sebille、England、Froyland による、観測された表層ドリフターから見た、海洋ごみ集積域の起源、ダイナミクス、進化の研究です。 出典

石油とガスの貯留層シミュレーション

油、ガス、水が岩石の貯留層の細孔を通って井戸へ向かう流れから、掘削を計画し、どれだけ回収できるかを予測します。

答える問い: 油田からはどれくらいの石油が採れ、井戸はどこに掘るべきでしょうか。

含まれないもの： 井戸と井戸のあいだの岩石の性質は、少ないデータから推定されるため、不確かさはたいてい数値計算の誤差より大きくなります。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 数百万セルの地質モデルでの多相流。最初の年： 1955 Peaceman と Rachford による、放物型・楕円型偏微分方程式の数値解。初期の貯留層シミュレーターの基礎です。 出典

氷床の荷重変化による地殻変動と、海面のフィンガープリント

氷床が解けるにつれて地殻が持ち上がり、海洋が再配分されるようすで、地域ごとの海面変化と重力場を予測します。

答える問い: 氷が解けると、ある場所では海面が下がり、別の場所では上がるのはなぜでしょうか。

含まれないもの： プレートの下のマントルの粘性は、あまり制約されておらず、地域ごとに異なります。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 球面上で解く粘弾性の地球モデルです。最初の年： 1976 Farrell と Clark による、後氷期の海面の計算。 出典

地中の二酸化炭素貯留のシミュレーション

注入した二酸化炭素が塩水を含む岩石層の中で広がり、上昇し、溶けていきます。キャップロックによる捕捉、毛細管現象、鉱物反応を何世紀にもわたって追います。

答える問い: ガスは地下にとどまるでしょうか。また、どこへ行くでしょうか。

含まれないもの： ボーリング孔の下の岩石は、少数の井戸と調査からしかわからないので、浸透率と断層は大きな不確かさをもって推測されます。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 クラスターで数週間かけて、数千年にわたる流域規模のモデルを動かします。最初の年： 2002 二酸化炭素の地質処分のための数値コードを比べた、ローレンス・バークレーの比較研究です。 出典

地下の反応輸送

水が化学物質を岩や土壌の中で運び、鉱物が溶け、沈殿し、イオンを交換するようすを、流れとあわせて解きます。

答える問い: 帯水層や処分場の化学と水の流れは、時間とともにどう互いを変えるでしょうか。

含まれないもの： 実験室で測った反応速度が、地中での反応表面積がわからない岩石に当てはめられます。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 3次元の現地サイトに、クラスターで数日。最初の年： 1985 Lichtner による、熱水系での化学反応と物質輸送が結びついた連続体モデル。 出典

マントル対流とプレートテクトニクス

惑星の内部で、高温の岩石が何億年もかけてゆっくり流れ、上にあるプレートを運んでいます。

答える問い: 隣の惑星にはないのに、地球にはプレートテクトニクスがあるのはなぜでしょうか。

含まれないもの： 数百万年分のシミュレートされた時間を一度に動かすため、一回の地震を同時に見せることはできません。

動かすのに必要： 約10¹⁵ FLOPS 概算 大学のクラスター、1回の長い実行に数週間。最初の年： 1974 McKenzie、Roberts、Weiss による、最初の数値マントル対流モデル。

地震と地震波

断層が破壊し、波が地殻を伝わって地面を揺らします。

答える問い: あの断層が壊れたら、この都市はどれくらい強く揺れるでしょうか。

含まれないもの： 破壊の開始点と断層の正確な粗さは、事前にわかっているのではなく、今も仮定されています。

動かすのに必要： 約10¹⁶ FLOPS 概算 国または大学のクラスター、大規模な断層破壊に数日。最初の年： 1968 Alterman と Karal による、地震波の初期の差分モデル。

火山の噴火と溶岩流

マグマが上昇し、噴火し、溶岩、火山灰、速く動く高温の雲として斜面を流れ下ります。

答える問い: 火山が噴火したら、どの村が進路にあたるでしょうか。

含まれないもの： 噴火がいつ始まるかは予測できず、すでに始まったあとに何が起こるかしか予測できません。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 ワークステーションまたは小規模なクラスター、1シナリオにつき数時間。最初の年： 1980 火口から流れ下る溶岩の、初期のコンピューター・モデル。

景観の進化

川が谷を刻み、斜面がゆっくり動き、海岸が侵食される様子を、数千年から数百万年にわたって追います。

答える問い: この地形は、どのようにして今の形になったのでしょうか。

含まれないもの： 数百万年を1回の実行に圧縮するため、個々の嵐や落石はならされてしまいます。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 ワークステーション。100万年ぶんの景観に数日。最初の年： 1991 Willgoose らによる、景観の進化を計算した初期のモデルです。

山火事の延焼

燃料、地形、風のうえを、セルごとに動く火。

答える問い: 火の前線は、6時間後にはどこにあるでしょうか。

含まれないもの： 火の振る舞いをもっとも左右する風は、たいてい一定の平均値に簡略化されます。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 ワークステーションまたはノートパソコン。広がる火の前線は数分。最初の年： 1972 Rothermel の火災延焼の方程式。まもなく予測のためにコンピューター化されました。

インタラクティブ・モデルを動かす

地すべりと土石流

土、岩、泥の斜面が崩れて下へ動きます。加速し、広がり、下の地形を埋めていくようすを追います。

答える問い: この斜面は、崩れたあと、どこまで、どれくらい速く動くでしょうか。

含まれないもの： 斜面が実際に崩れる瞬間は、崩れたあとに何が起こるかより、今もなお予測がむずかしいです。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 ワークステーションまたは小規模なクラスター、斜面のシナリオ1つにつき数時間。最初の年： 1980 崩れる斜面の、初期のコンピューターによる到達範囲モデル。

物理ベースの地震ハザード

地震の破壊と波動伝播のシミュレーションが、経験的な減衰則に取って代わり、各地点での揺れを与えます。

答える問い: 起こりうる破壊ごとに、この場所の地面はどれくらい強く揺れるでしょうか。

含まれないもの： 速度モデルが既知である必要があり、高い周波数は解像しにくくなります。

動かすのに必要： 約10¹⁸ FLOPS 概算 多数の破壊シナリオ。それぞれが三次元の波のシミュレーション最初の年： 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) 出典

ジオダイナモのシミュレーション

地球の核の中の液体鉄の対流が、ランダムな反転も含めて、磁場を生み出し、保ちます。

答える問い: 地球の核は、どのように磁場を作り、なぜそれが反転するのでしょうか。

含まれないもの： 粘性と伝導率の値は実際からかけ離れているので、流れは、地球内部よりはるかになめらかです。

動かすのに必要： 約10¹⁸ FLOPS 概算 地球に近い条件にはまだほど遠い状態でしか動かせないダイナモのために、スーパーコンピューターで数か月。最初の年： 1995 Glatzmaier と Roberts による、地磁気の逆転の3次元の自己無撞着なシミュレーション。 出典

全波形の地震波インバージョン

地震波を試行の地球モデルの中で繰り返し走らせ、合成波と記録された波が一致するまでモデルを調整して、岩石の構造を画像化します。

答える問い: 私たちの足元の岩は、それを横切った波から見ると、どんなふうに見えるでしょうか。

含まれないもの： 初期モデルが近くない限り、逆解析は誤った解に張りつくことがあります。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 最適化ループの中での、数千回の波のシミュレーションです。最初の年： 1984 Tarantola による、音響近似での反射法地震データの逆解析です。 出典

スペクトル要素法による地震波伝播

地震波が、地殻または地球全体の3次元モデルのなかを、地形や層に沿った高次の要素で伝わります。

答える問い: 波は、実際の凸凹した地球の中をどう伝わるでしょうか。

含まれないもの： 地球のモデルは、小さなスケールの構造と減衰が不確かなので、短い周期ほど信頼性が低くなります。

動かすのに必要： 約10¹⁷ FLOPS 概算 数秒の周期を解像する、地球全体の計算です。最初の年： 1998 Komatitsch と Vilotte による、二次元・三次元の構造の地震応答のためのスペクトル要素法。 出典

地震サイクルのシミュレーション

プレートの動きでゆっくり荷重がかかる断層。摩擦で固着とすべりをくり返し、静かな蓄積と突然の破壊を何サイクルもシミュレートします。

答える問い: 断層では、地震が何世紀にもわたってどのように繰り返されるでしょうか。

含まれないもの： 摩擦則は実験室で導かれたもので、測定されたことのない深さと速さまで外挿されています。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 数千年にわたる速度・状態依存の断層サイクル。最初の年： 1986 Tse と Rice による、摩擦すべり特性の深さ方向の変化と関連づけた、地殻地震の不安定性の研究です。 出典

確率的な地震カタログのモデル

各地震が余震の確率を高める統計モデルから人工の地震列を生成し、群発とハザードを予測します。

答える問い: 大きな地震のあと、余震はどれくらい起こりやすいでしょうか。

含まれないもの： このモデルは統計的な群発を捉えますが、断層の応力の物理は含みません。

動かすのに必要： 約10⁶ FLOPS 概算 確率論的カタログは計算量がかからず、長いアンサンブルもワークステーションで動きます。最初の年： 1988 Ogata による、地震の発生の統計モデルと、点過程の残差解析。 出典

陸面モデル

土壌、植物、空気のあいだでの水、熱、二酸化炭素のやり取りを、大気・気候モデルの地表の構成要素として書いたものです。

答える問い: 植物と土は、地面と空気のあいだを動く熱と水をどう制御するでしょうか。

含まれないもの： 植生はセルごとに少数のパラメーターで記述され、土壌中の水の動きは大幅に簡略化されています。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 気候モデルの内部にある、格子セルごとの1次元の柱。最初の年： 1986 Sellers、Mintz、Sud、Dalcher による、大循環モデルの中で使うための単純な生物圏モデル。 出典

火災と大気の連成モデル

火の前線と、それが生む風をいっしょに解きます。火の熱が空気を引き込んで流れを変え、それが今度は火の広がり方や、火の粉と煙の飛び方を変えます。

答える問い: 火災は、自分を駆り立てる風をどのように作り変えるでしょうか。

含まれないもの： 燃焼と燃料は単純な速度則で表されているため、樹冠火や飛び火のような極端な振る舞いは、おおまかにしかとらえられません。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 数十メートルの解像度の大規模火災1件に、クラスターで数日。最初の年： 1996 Clark、Jenkins、Coen による、火線の動態の大気・火災の連成モデル。 出典