지구와 기후

지구계 모델

대기, 해양, 해빙, 육지, 탄소 순환을 전 지구 격자에서 결합해 수 세기 동안 돌려요.

답하는 질문: 주어진 배출 경로에서 지구는 얼마나 따뜻해질까요?

빠진 것: 구름은 여전히 매개변수화로 표현되며, 이것이 모델 사이 불일치의 가장 큰 단일 원천이에요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 국가 슈퍼컴퓨터의 상당 부분, 몇 달 동안.처음 등장: 1969 마나베와 브라이언의 최초의 해양-대기 결합 기후 모델시뮬레이션 트리에서: 해양-대기 결합

고기후

같은 모델을 빙하기와 아득한 과거에 돌려요. 대륙, 궤도, 대기가 지금과 달라요.

답하는 질문: 무엇이 빙하기를 불러왔고, 과거는 기후가 얼마나 민감한지에 대해 무엇을 말해 줄까?

빠진 것: 고대의 해안선, 얼음, 식생을 드문 증거로 복원한 다음, 알려진 입력처럼 다뤄요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 최신 기후 실행과 비슷하게, 슈퍼컴퓨터의 일부를 몇 달 동안.처음 등장: 1977 마나베와 한의 빙기 기후에 대한 최초의 대순환 모델 시뮬레이션

빙상과 해수면

빙하와 빙상이 흐르고, 녹고, 바다로 떨어져 나가요.

답하는 질문: 빙상은 이번 세기에 해수면을 얼마나 빨리 높일 수 있을까요?

빠진 것: 얼음이 갑자기 갈라지고 미끄러지는 물리는 아직 잘 담아내지 못해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 대학 클러스터, 시뮬레이션한 한 세기당 며칠에서 몇 주.처음 등장: 1976 마하피의 초기 유한 차분 빙상 컴퓨터 모델

통합 평가 모델

에너지, 경제, 토지 이용, 기후를 하나의 모델로 연결해 정책 경로를 비교해요.

답하는 질문: 에너지와 토지 이용을 어떻게 섞어야 온난화를 정해진 한계 아래로 묶어 둘 수 있고, 비용은 얼마일까?

빠진 것: 경제 전체와 기후를 몇 개의 방정식으로 줄여서, 답이 선택한 할인율에 크게 좌우돼요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 노트북, 한 번 실행에 몇 초에서 몇 분이면 돼요.처음 등장: 1992 노드하우스의 DICE 모델, 널리 쓰인 최초의 기후-경제 모델

지역 기후 상세화

전 지구 기후 모델의 거친 출력을 써서 한 나라나 산맥 위의 더 세밀한 지역 모델을 구동해요.

답하는 질문: 지구 온난화는 이 계곡의 날씨에 실제로 무엇을 뜻할까?

빠진 것: 더 높은 해상도일 뿐, 자신이 들어 있는 전 지구 모델의 편향을 그대로 물려받아요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 국가 클러스터, 지역 추산 하나에 몇 주.처음 등장: 1989 제한된 지역에서 돌린 초기 중첩 지역 기후 모델.

태양 지구공학

상층 대기에 반사 입자를 뿌리는 것 같은 의도적 개입을 더해 돌린 기후 모델로, 무엇이 달라지는지 봐요.

답하는 질문: 들어오는 햇빛을 일부러 줄이면 온난화를 상쇄할 수 있을까요, 그리고 어떤 부작용이 있을까요?

빠진 것: 이런 종류의 개입은 대규모로 시행된 적이 없어서, 모든 결과는 그런 식으로 배치된 적 없는 에어로졸을 모델이 얼마나 잘 나타내느냐에 달려 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 국가 슈퍼컴퓨터의 상당 부분, 몇 달 동안.처음 등장: 1992 가상의 화산식 개입을 시험한 초기 기후 모델 실험.

세계-지구 모델

인간 행동의 단순한 동적 표현과 결합한 기후 모델로, 배출, 정책, 사회 변화가 행성의 상태에 반응해요.

답하는 질문: 사회적 티핑과 기후 되먹임은 수 세기에 걸쳐 어떻게 서로 작용할까요?

빠진 것: 행동 규칙은 가설이고, 공간적 기후 세부는 거칠어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 대규모 앙상블로 돌리는 축소 복잡도 모델처음 등장: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) 출처

전 지구 구름 분해 모델

심층 대류를 전 지구에서 직접 표현할 만큼 격자가 몇 킬로미터로 촘촘한 대기 모델.

답하는 질문: 열대 구름계를 매개변수 없이 직접 시뮬레이션할 수 있을까요?

빠진 것: 실행이 짧고, 난류와 구름 미세물리는 여전히 근사해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁸ FLOPS 대략 가장 큰 기계에서 시뮬레이션 시간으로 몇 주처음 등장: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) 출처시뮬레이션 트리에서: 전지구 구름 분해 모델

초매개변수화

거친 전 지구 모델의 각 기둥 안에 작은 구름 분해 모델을 넣어, 보통의 대류 방식을 대신해요.

답하는 질문: 명시적인 구름 물리가 전 지구를 촘촘한 격자로 덮지 않고도 기후 모델을 개선할 수 있을까요?

빠진 것: 안에 박힌 모델은 작고 이웃한 기둥과 정보를 주고받지 않아요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 내장된 2차원 구름 모델은 비용을 여러 배로 키워요처음 등장: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) 출처

극한 사건 기여도 분석

인간의 영향이 있을 때와 없을 때의 대규모 기후 앙상블 실행으로, 각 세계에서 특정 폭염, 홍수, 폭풍이 일어날 확률을 구해요.

답하는 질문: 인간이 낸 배출은 이 특정한 사건의 가능성을 얼마나 바꿨을까요?

빠진 것: 결과는 모델이 그 규모의 사건 유형을 얼마나 잘 재현하느냐에 달려 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 수백에서 수천 개의 앙상블 구성원처음 등장: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) 출처

자원자가 계산하는 섭동 물리 앙상블

기후 모델 수천 개 복사본을 물리 매개변수를 조금씩 다르게 해서, 기부받은 가정용 컴퓨터에서 돌려요.

답하는 질문: 불확실한 모델 물리와 맞는 온난화의 범위는 얼마나 넓을까요?

빠진 것: 모델 구조는 고정되어 있고, 매개변수만 바꿔요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 수만 번의 모델 실행처음 등장: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) 출처

초기 조건 대규모 앙상블

기후 모델 하나를 조금씩 다른 시작점에서 수십 번 돌려, 강제된 변화와 내부 변동성을 분리해요.

답하는 질문: 지역 추세 가운데 어디까지가 기후 자체의 잡음일까?

빠진 것: 한 모델 안의 변동성은 담아내지만, 모델 사이의 차이는 담아내지 못해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁸ FLOPS 대략 수 세기에 걸친 결합 실행 수십 번처음 등장: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) 출처

학습된 기후 에뮬레이터

기후 모델 출력으로 훈련한 신경망이 아주 적은 비용으로 대기를 수십 년이나 수 세기 앞으로 진행시켜요.

답하는 질문: 훈련된 대리 모델이 수십 년 기후 통계를 빠르게 재현할 수 있을까요?

빠진 것: 훈련에 쓴 모델의 편향을 물려받고, 본 적 없는 기후에서는 실패할 수 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 모델 아카이브로 학습한 뒤 긴 계산을 저렴하게처음 등장: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) 출처

지구계 디지털 트윈

관측으로 계속 갱신되고, 사용자의 '만약 ~라면' 질문에 답하도록 만든 행성의 고해상도 모델.

답하는 질문: 어떤 결정이나 사건이 일어나면 한 지역은 어떻게 될까?

빠진 것: 트윈은 모델과 자료만큼만 충실하고, 상호작용하는 시나리오에는 한계가 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁹ FLOPS 대략 킬로미터 규모 전 지구 모델과 자료 동화처음 등장: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) 출처

복사-대류 기후 모델

복사와 대류가 균형을 이루는 대기 기둥 하나로, 이산화탄소나 습도가 바뀔 때 행성이 얼마나 따뜻해지는지 알아내요.

답하는 질문: 온실가스가 두 배가 되면 공기 기둥은 얼마나 따뜻해질까요?

빠진 것: 바람도 구름도 해양 수송도 없어서, 예보가 아니라 기준이 되는 온난화를 줘요.

돌아가는 곳: 약 10⁴ FLOPS 대략 1차원 기둥, 노트북에서 빨라요.처음 등장: 1967 Manabe and Wetherald's thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. 출처

에너지 수지 기후 모델

지구를 열을 흡수하고 내보내고 수송으로 주고받는 위도 띠로 줄여서, 얼음-알베도 되먹임과 기후 상태 사이의 티핑을 보여 줄 만큼 단순화해요.

답하는 질문: 얼음 덮개의 폭주가 행성 전체를 얼릴 수 있을까요?

빠진 것: 이 그림은 역학과 날씨를 무시하기 때문에, 알려 주기는 해도 예보하지는 못해요.

돌아가는 곳: 약 10³ FLOPS 대략 방정식 몇 개, 어떤 컴퓨터에서든 몇 초.처음 등장: 1969 Sellers's global climatic model based on the energy balance of the earth-atmosphere system. 출처

동적 전 지구 식생과 탄소 순환 모델링

전 지구에서 식물, 토양, 그리고 그들의 탄소 교환을 시뮬레이션하며, 기후가 변하면서 식생 유형이 경쟁하고 이동해요.

답하는 질문: 기후가 따뜻해지면 육지는 탄소를 얼마나 흡수하거나 내놓을까요?

빠진 것: 식물 유형은 몇 개의 기능 분류로 뭉뚱그려져 있고, 영양염과 교란 되먹임은 거칠어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 대개 거친 격자에서 하는 여러 세기에 걸친 전 지구 실행.처음 등장: 1996 Foley와 동료들의 육지 표면 과정, 육상 탄소 수지, 식생 동역학의 통합 생물권 모델. 출처

탄소 순환과 기후의 결합 시뮬레이션

육지와 해양의 탄소 순환을 안에 넣은 기후 모델로, 온난화가 지구의 흡수량을 바꾸고 다시 스스로에게 되먹임할 수 있어요.

답하는 질문: 온난화는 땅과 바다를 탄소 흡수원에서 배출원으로 바꿀까?

빠진 것: 토양과 식생에 대한 가정 때문에 육지 탄소 반응은 모델마다 크게 달라요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 슈퍼컴퓨터에서 여러 세기에 걸친 결합 기후 실행.처음 등장: 2000 Cox, Betts, Jones, Spall, Totterdell의 결합 기후 모델에서 탄소 순환 되먹임에 의한 지구 온난화의 가속. 출처

해양 생태계와 생지화학 모델링

영양염, 플랑크톤, 부유물이 바다를 따라 이류하고 순환하는 과정을 다뤄서, 생산성과 심해로 가는 탄소를 예측해요.

답하는 질문: 해양 생물은 얼마나 많은 탄소를 심해로 실어 나를까요?

빠진 것: 플랑크톤 집단은 맞춘 속도를 가진 몇 개의 뭉뚱그린 구획이에요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 해양 대순환 모델 안의 생물지구화학 모듈.처음 등장: 1990 Fasham, Ducklow, McKelvie의 대양 혼합층 플랑크톤 동역학의 질소 기반 모델. 출처

학습된 격자 이하 규모 매개변수화

구름 분해 모델로 훈련한 신경망이, 거친 전 지구 기후 모델에는 너무 작은 폭풍과 구름에 대한 손으로 쓴 규칙을 대신해요.

답하는 질문: 거친 기후 모델이 더 세밀한 모델에서 배워 작은 규모의 구름을 제대로 낼 수 있을까요?

빠진 것: 기후가 학습한 조건 밖으로 벗어나면 네트워크가 불안정하거나 물리적으로 불가능한 상태로 흘러갈 수 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 소수의 정밀 시뮬레이션으로 학습한 뒤, 기후 모델 안에서 저렴하게 써요.처음 등장: 2018 Rasp, Pritchard, Gentine의 기후 모델 속 격자 이하 과정에 대한 딥러닝 표현 출처

수치 일기 예보

오늘 관측된 대기를 몇 시간에서 며칠 앞으로 진행시키는데, 보통 조금씩 다른 출발점들의 앙상블로 돌려요.

답하는 질문: 목요일에 여기 비가 올까, 그리고 얼마나 확신할 수 있을까?

빠진 것: 격자가 아무리 촘촘해도 약 10일이 지나면 예측 실력이 무너져요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 국가 기상 센터의 슈퍼컴퓨터, 그중 몇 퍼센트를 몇 시간 동안.처음 등장: 1950 Charney, Fjortoft, von Neumann의 첫 수치 예보.시뮬레이션 트리에서: 최초의 컴퓨터 예보

기계 학습 날씨

수십 년의 과거 날씨로 훈련한 신경망이 몇 시간이 아니라 몇 초 만에 예보를 내놓아요.

답하는 질문: 학습된 에뮬레이터가 훈련에 쓴 물리만큼 잘 예보할 수 있을까요?

빠진 것: 과거 날씨의 패턴을 학습해서, 본 적 없는 종류의 극단적인 사건에는 약해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 고성능 GPU 한 장, 예보가 몇 시간이 아니라 몇 초 만에.처음 등장: 2022 물리 기반 예보 수준에 맞춘 최초의 학습된 날씨 모델.

열대 저기압

높은 해상도의 허리케인과 태풍: 경로, 강도, 강우

답하는 질문: 폭풍은 어디로 상륙하고, 얼마나 강할까?

빠진 것: 태풍의 눈과 눈벽은 아직도 대부분의 모델이 제대로 풀어내기에는 너무 작아요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 국가 예보 센터의 클러스터, 활동 중인 폭풍마다 실행.처음 등장: 1969 오오야마의 초기 허리케인 발달 수치 모델

대기질과 확산

오염 물질, 연기, 화산재가 바람에 실려 퍼지고, 섞이고, 화학적으로 변해요.

답하는 질문: 연기 기둥은 어디로 가고, 그 공기는 숨 쉬거나 날아서 지나가도 안전할까?

빠진 것: 전체 예보가 의존하는 입력인 배출량 목록은 흔히 오래됐거나 추정치예요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 워크스테이션 또는 소형 클러스터, 오염 사건당 몇 시간.처음 등장: 1970 굴뚝 오염을 위한 초기 전산 가우시안 연기 기둥 모델.

계절 예보

오늘의 해양과 대기에서 시작한 기후 길이의 모델 실행 앙상블로, 하루가 아니라 한 계절 전체의 확률을 겨냥해요.

답하는 질문: 올겨울은 평년보다 따뜻하거나 습할까?

빠진 것: 어느 날의 날씨가 어떨지는 말해 주지 못하고, 확률이 어떻게 달라지는지만 말해 줘요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 국가 예보 센터의 슈퍼컴퓨터, 시즌마다 앙상블 실행.처음 등장: 1986 해양을 결합한 모델을 쓴 초기 동역학적 계절 예보.

심한 대류 폭풍

뇌우 하나나 슈퍼셀 하나를 상승 기류와 하강 기류 규모까지 분해해, 토네이도가 생기는지 큰 우박이 떨어지는지 봐요.

답하는 질문: 이 폭풍은 토네이도를 만들어 낼까, 만든다면 어디서?

빠진 것: 토네이도를 볼 수 있을 만큼 촘촘한 격자가 필요한데, 폭풍이 생길 수 있는 모든 곳에서 돌리기에는 너무 비싸요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 국가 클러스터, 아주 높은 해상도의 폭풍 하나에 몇 시간.처음 등장: 1975 뇌우 하나의 초기 3차원 컴퓨터 모델.

생성형 앙상블 일기 예보

확산 모델이 앞으로 2주간 그럴듯한 날씨 미래를 많이 뽑아, 전 지구 규모에서 변수마다 확률을 줘요.

답하는 질문: 학습된 모델이 보정된 예보 불확실성을 적은 비용으로 줄 수 있을까요?

빠진 것: 재분석 데이터에 묶여 있고, 드문 극단 사건에 대해서는 물리적 보장을 주지 않아요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 수십 년 치 재분석 자료로 학습, 앙상블 구성원 하나에 몇 분처음 등장: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) 출처

앙상블 일기 예보

조금씩 다른 시작 상태에서 예보를 여러 번 돌려, 퍼짐을 통해 날씨가 얼마나 불확실한지와 각 결과의 가능성을 보여 줘요.

답하는 질문: 일기 예보는 얼마나 믿을 수 있고, 대신 어떤 일이 일어날 수 있을까요?

빠진 것: 초기 상태를 흔들어도 모델 오차는 일부만 반영돼서, 퍼짐이 너무 좁은 경우가 많아요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 매일 수십 건의 전 지구 예보, 하나하나가 큰 실행.처음 등장: 1974 Leith's theoretical skill of Monte Carlo forecasts. 출처

대기 재분석

고정된 최신 예보 모델을 수십 년의 과거 관측에 돌려, 관측을 섞어 빈틈없이 일관된 대기 기록으로 만들어요.

답하는 질문: 과거의 모든 장소, 모든 시각에 바람, 기온, 기압은 어땠을까?

빠진 것: 시간에 따른 관측 체계의 변화가 기록에 인위적인 추세를 남겨요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 슈퍼컴퓨터로 수십 년의 동화 주기.처음 등장: 1996 Kalnay와 동료들의 NCEP/NCAR 40년 재분석 프로젝트 출처

대기 경계층 대형 에디 시뮬레이션

대기의 가장 아래 1킬로미터, 난류 소용돌이가 열, 수분, 오염 물질을 섞는 곳이에요. 큰 소용돌이는 풀어내고 작은 것은 모델링해요.

답하는 질문: 난류 소용돌이는 땅에서 열과 수분을 어떻게 위로 실어 나를까요?

빠진 것: 지표면 교환과 격자 이하 혼합은 매개변수로 처리해서, 지면 가까이에서는 정확도에 한계가 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 수십 미터 해상도로 몇 킬로미터 범위.처음 등장: 1972 Deardorff의 중립 및 불안정 행성 경계층 수치 연구. 출처

전 지구 폭풍 분해 시뮬레이션

몇 킬로미터 해상도의 지구 전체 대기 모델로, 대류 매개변수화 없이도 뇌우 무리와 열대 폭풍이 나타나요.

답하는 질문: 폭풍을 근사하지 않고 직접 풀어내면 대기는 어떻게 움직일까?

빠진 것: 몇 킬로미터 이하의 구름 미세물리와 난류는 여전히 매개변수화돼 있고, 실행은 기후를 연구하기엔 너무 짧아요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁹ FLOPS 대략 가장 큰 기계에서 시뮬레이션 몇 달 치에 몇 주.처음 등장: 2008 Satoh and colleagues' nonhydrostatic icosahedral atmospheric model for global cloud-resolving simulations. 출처

광물 먼지 방출과 수송

바람이 사막 먼지를 들어 올려 바다 너머로 나르고 내려놓는 과정을 계산해서, 복사, 해양 영양염, 대기질에 미치는 영향을 알아내요.

답하는 질문: 사막 먼지는 얼마나 공기 중으로 들어가고, 어디로 갈까요?

빠진 것: 방출 임계값은 지도가 잘 안 된 토양과 표면 특성에 달려 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 수년에 걸친 대기 모델 속의 먼지 모듈.처음 등장: 1994 테겐과 풍의 대기 중 광물 먼지 모델이에요. 발생원, 수송, 광학 두께를 다뤄요. 출처

도시 표면 에너지 균형 모델링

거리, 지붕, 벽을 공기와 열, 수분, 운동량을 주고받는 협곡으로 다뤄서, 도시 열섬과 건물 냉방 수요를 예측해요.

답하는 질문: 도시는 왜 주변 시골보다 더 더울까?

빠진 것: 도시를 이상화된 협곡으로 줄여서 건물의 세부와 교통의 열은 근사해요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 대도시 위 대기 모델 안의 협곡 방식.처음 등장: 2000 Masson의 대기 모델용 물리 기반 도시 에너지 수지 방식 출처

열권과 전리층 모델링

100에서 600킬로미터 높이의 상층 대기로, 햇빛과 입자에 데워지고, 위성 항력과 무선 신호를 바꾸는 바람과 전류가 있어요.

답하는 질문: 태양 활동은 상층 대기와 전파 통신 환경을 어떻게 바꿀까요?

빠진 것: 아래쪽 경계와 위에서 들어오는 에너지는 드문 자료로 정해 줘요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 며칠의 우주 날씨에 걸친 결합 상층 대기 시뮬레이션.처음 등장: 1988 Roble, Ridley, Richmond and Dickinson's coupled thermosphere/ionosphere general circulation model. 출처

해양 순환

세계의 바다를 흐르는 해류, 소용돌이, 열, 염분.

답하는 질문: 대서양의 거대한 뒤집힘 해류가 느려질 수 있을까요?

빠진 것: 열과 탄소를 섞는 소용돌이는 대부분 격자보다 작아서, 그 효과를 매개변수로 처리해야 해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 대형 클러스터, 수십 년 분량 실행에 몇 주.처음 등장: 1969 Bryan의 최초의 전 지구 해양 순환 컴퓨터 모델.

쓰나미와 폭풍 해일

지진이나 폭풍이 일으킨 파도가 바다를 건너 해안으로 밀려 올라가요.

답하는 질문: 물은 얼마나 높이 차오르고, 어느 거리부터 잠길까요?

빠진 것: 해안 방어와 배수는 보통 처오름 자체의 해상도보다 훨씬 낮게 단순화돼 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 워크스테이션, 해안 경보 실행에 몇 분.처음 등장: 1969 쓰나미를 모델링한 아이다의 초기 수치 실험.

강과 홍수

유역에 내린 비가 스며들거나 흘러내려 개울, 강, 범람원으로 들어가요.

답하는 질문: 이 폭풍은 얼마나 큰 홍수를 일으키고, 어디에서 일어날까요?

빠진 것: 토양과 토지 이용은 유역 전체로 평균을 내기 때문에, 실제로 침수되는 밭이나 도랑 하나는 가려져요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 노트북, 유역 실행은 몇 분이면 돼요.처음 등장: 1966 Crawford와 Linsley의 스탠퍼드 유역 강우-유출 모델.

지하수

대수층의 토양과 암석 속을 천천히 움직이는 물.

답하는 질문: 우물이 마르기 전까지 이 대수층의 물을 얼마나 오래 퍼 올릴 수 있을까요?

빠진 것: 지하 암석과 토양의 성질은 수백 미터씩 떨어진 시추공에서 그려 내기 때문에, 대수층 대부분은 추정이에요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 노트북 또는 워크스테이션, 대수층당 몇 분에서 몇 시간.처음 등장: 1968 Pinder and Bredehoeft's early finite-difference aquifer model.

해빙

바다 표면의 떠 있는 얼음이 바람, 파도, 온기 아래서 갈라지고, 솟고, 떠다니고, 녹아요.

답하는 질문: 여름이 끝날 무렵에도 북극해의 얼마만큼이 얼음으로 덮여 있을까요?

빠진 것: 금이 가고 솟아오른 부빙들이 이질적으로 섞인 밭을 매끄럽고 연속적인 판으로 다뤄요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 대학 또는 국가 클러스터, 해양 실행과 결합해 몇 주.처음 등장: 1969 떠다니는 북극 해빙의 초기 컴퓨터 모델.

해양 파랑 예보

탁 트인 바다 위로 부는 바람이 너울과 물결을 일으키고 이끄는 과정을 따라가서, 선박과 해안을 위한 파고와 파향을 예보해요.

답하는 질문: 내일 이곳의 바다는 얼마나 거칠까요?

빠진 것: 해양 안전에 가장 중요한 가장 가파르게 부서지는 파봉에서는 성능이 떨어져요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 국가 예보 센터의 클러스터, 하루에 여러 번 실행.처음 등장: 1956 전시 너울 예측 방법에 이은 초기 수치 파랑 예보.

홍수 범람 모델링

강이나 폭풍의 물이 범람원으로 퍼지는 모습을 지형 격자에서 계산해서, 보험과 계획에 쓸 침수 깊이와 범위를 지도로 그려요.

답하는 질문: 홍수가 나면 어떤 거리와 밭이 물에 잠길까?

빠진 것: 오차를 좌우하는 것은 수치 해법이 아니라 지형의 정확도와 유입 수문곡선이에요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 하천 유역의 2차원 천수 모델 또는 래스터 모델.처음 등장: 2000 베이츠와 더 루의 홍수 범람 시뮬레이션을 위한 단순한 래스터 기반 모델. 출처

연안과 하구 순환 모델링

조석, 강, 바람이 만과 하구를 따라 물, 염분, 퇴적물을 옮기는 과정을 지형을 따라가는 격자에서 계산해요.

답하는 질문: 조수와 강은 해안을 따라 물을 어떻게 섞을까요?

빠진 것: 작은 규모의 혼합과 수심 측량 오차 때문에 해안 가까이에서는 정확도가 떨어져요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 1년 치를 도는 3차원 지역 모델.처음 등장: 1987 블룸버그와 멜러의 3차원 연안 해양 순환 모델 기술. 출처

해양 쓰레기와 라그랑주 표류 모델링

시뮬레이션했거나 관측한 해류에 실려 가는 가상 입자로, 떠다니는 플라스틱, 기름, 유생이 어디로 가는지 찾아요.

답하는 질문: 해안에서 떠내려간 플라스틱은 어디로 갈까?

빠진 것: 바람 영향, 파랑 표류, 입자가 가라앉거나 부서지는 과정은 잘 알려져 있지 않아요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 1년 치 바다 흐름 동안 이류되는 수백만 개의 입자.처음 등장: 2012 판 세빌, 잉글랜드, 프로일란트가 관측된 표층 표류부이로 바다 쓰레기 지대의 기원, 동역학, 진화를 연구한 논문이에요. 출처

석유 및 가스 저류층 시뮬레이션

석유, 가스, 물이 암석 저류층의 구멍을 지나 유정으로 흐르는 과정으로, 시추를 계획하고 얼마나 회수할 수 있는지 예측해요.

답하는 질문: 유전 하나에서 기름이 얼마나 나오고, 유정은 어디에 둬야 할까요?

빠진 것: 유정 사이의 암석 물성은 드문 데이터에서 추론하므로, 불확실성이 보통 수치 계산보다 커요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 수백만 개의 셀로 이루어진 지질 모델에서의 다상 흐름.처음 등장: 1955 Peaceman and Rachford's numerical solution of parabolic and elliptic differential equations, the basis of early reservoir simulators. 출처

빙하 지각 평형 조정과 해수면 지문

빙상이 녹고 바다가 재분배되면서 지각이 되튀는 과정을 계산해서, 지역별 해수면 변화와 중력장을 예측해요.

답하는 질문: 얼음이 녹을 때 해수면은 왜 어떤 곳에서는 내려가고 어떤 곳에서는 올라갈까?

빠진 것: 판 아래의 맨틀 점성은 제대로 규명되지 않았고 지역마다 달라요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 구 위에서 푸는 점탄성 지구 모델.처음 등장: 1976 Farrell과 Clark의 후빙기 해수면 계산. 출처

지질 이산화탄소 저장 시뮬레이션

주입된 이산화탄소가 염수 암층에서 퍼지고, 떠오르고, 녹는 과정과, 덮개암, 모세관 현상, 광물 반응에 의한 포획을 수 세기에 걸쳐 따라가요.

답하는 질문: 가스는 지하에 머물까, 그리고 어디로 갈까?

빠진 것: 시추공 아래의 암석은 몇 개의 시추공과 탐사로만 알려져 있어서, 투과도와 단층은 넓은 불확실성 속에서 짐작해야 해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 수천 년에 걸친 유역 규모 모델을 클러스터에서 몇 주.처음 등장: 2002 로런스 버클리 연구소의 CO2 지질 처분용 수치 코드 상호 비교. 출처

지하의 반응성 수송

물이 암석이나 토양을 지나며 화학물질을 나르고, 광물이 녹고, 침전하고, 이온을 교환하는 과정을 흐름과 함께 풀어요.

답하는 질문: 대수층이나 저장소의 화학과 물길은 시간이 지나면서 서로를 어떻게 바꿀까요?

빠진 것: 실험실에서 측정한 반응 속도를, 땅속에서 반응 표면적을 알 수 없는 암석에 적용해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 3차원 현장 부지에 클러스터로 며칠.처음 등장: 1985 Lichtner's continuum model for coupled chemical reactions and mass transport in hydrothermal systems. 출처

맨틀 대류와 판 구조

수억 년에 걸쳐 행성 내부에서 천천히 흐르는 뜨거운 암석이 그 위의 판을 실어 날라요.

답하는 질문: 이웃 행성에는 없는 판 구조 운동이 왜 지구에는 있을까?

빠진 것: 수백만 년을 한꺼번에 돌리기 때문에, 지진 한 번을 함께 보여 줄 수는 없어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁵ FLOPS 대략 대학 클러스터, 긴 실행 하나에 몇 주.처음 등장: 1974 McKenzie, Roberts and Weiss's first numerical mantle convection model.

지진과 지진파

단층이 파열하고 파동이 지각을 퍼져 나가 땅을 흔들어요.

답하는 질문: 저 단층이 끊어지면 이 도시는 얼마나 세게 흔들릴까요?

빠진 것: 파열의 시작점과 단층의 정확한 거칠기는 미리 아는 것이 아니라 여전히 가정이에요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁶ FLOPS 대략 국가 또는 대학 클러스터, 큰 단층 파열에 며칠.처음 등장: 1968 알터먼과 카랄의 초기 지진파 유한 차분 모델.

화산 분화와 용암 흐름

마그마가 올라오고, 분출하고, 용암이나 화산재, 빠르게 움직이는 뜨거운 구름이 되어 비탈을 흘러내려요.

답하는 질문: 화산이 분화하면 어느 마을이 그 경로에 놓일까?

빠진 것: 분화가 언제 시작될지는 예측하지 못하고, 이미 시작된 뒤에 어떻게 되는지만 알려 줘요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 워크스테이션 또는 소형 클러스터, 시나리오당 몇 시간.처음 등장: 1980 분출구에서 비탈로 흘러내리는 용암의 초기 컴퓨터 모델.

지형 진화

강이 계곡을 깎고, 비탈이 흘러내리고, 해안이 침식되는 과정을 수천 년에서 수백만 년에 걸쳐 다뤄요.

답하는 질문: 이 지형은 어떻게 지금의 모양이 되었을까요?

빠진 것: 수백만 년을 한 번의 실행에 압축하므로, 개별 폭풍이나 낙석은 모두 매끄러워져요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 워크스테이션, 100만 년 분량의 경관에 며칠.처음 등장: 1991 Willgoose와 동료들의 초기 컴퓨터 지형 진화 모델이에요.

산불 확산

불이 연료, 지형, 바람을 가로질러 칸 단위로 움직여요.

답하는 질문: 여섯 시간 뒤 불길의 선두는 어디에 있을까?

빠진 것: 실제 불의 움직임을 가장 크게 좌우하는 바람은 보통 일정한 평균값으로 단순화해요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 워크스테이션 또는 노트북, 번지는 화재 전선에 몇 분.처음 등장: 1972 로더멜의 불 번짐 방정식, 곧 예보를 위해 전산화되었어요

상호작용 모델 실행하기

산사태와 토석류

흙, 바위, 진흙의 비탈이 무너져 내려가며 가속하고, 퍼지고, 아래 지형을 덮치는 과정을 따라가요.

답하는 질문: 이 비탈은 무너지면 얼마나 멀리, 얼마나 빨리 나아갈까요?

빠진 것: 비탈이 실제로 무너지는 순간은 무너진 뒤에 벌어지는 일보다 여전히 예측하기 어려워요.

돌아가는 곳: 약 10¹³ FLOPS 대략 워크스테이션 또는 소형 클러스터, 사면 시나리오당 몇 시간.처음 등장: 1980 무너지는 비탈의 초기 컴퓨터 유출 거리 모델.

물리 기반 지진 위험

지진 파열과 파동 전파 시뮬레이션이 경험적 감쇠 규칙을 대신해, 각 지점의 흔들림을 알려 줘요.

답하는 질문: 가능한 각 단층 파열마다 이곳은 얼마나 세게 흔들릴까요?

빠진 것: 속도 모델을 알아야 하고, 높은 주파수는 분해하기 어려워요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁸ FLOPS 대략 많은 파열 시나리오, 각각이 3차원 파동 시뮬레이션처음 등장: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) 출처

지구 다이나모 시뮬레이션

지구 핵 속 액체 철의 대류가 자기장을 만들고 유지하며, 불규칙한 역전까지 일으켜요.

답하는 질문: 지구의 핵은 어떻게 자기장을 만들고, 왜 뒤집힐까요?

빠진 것: 점성과 전도도 값이 실제와 한참 달라서, 흐름이 지구 내부보다 훨씬 매끄러워요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁸ FLOPS 대략 여전히 지구와 비슷한 조건과는 거리가 먼 다이너모 하나를 위해 슈퍼컴퓨터로 몇 달.처음 등장: 1995 Glatzmaier와 Roberts의 지자기장 역전에 대한 3차원 자기 일관 시뮬레이션. 출처

전파형 지진 역산

시험 지구 모델에 지진파를 거듭 통과시키고, 합성한 파와 기록한 파가 맞을 때까지 모델을 조정해서, 암석 구조를 영상화해요.

답하는 질문: 우리 발밑의 암석은 그곳을 지나간 파동의 눈에는 어떻게 보일까?

빠진 것: 시작 모델이 가깝지 않으면 역산이 잘못된 해에 붙들릴 수 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 최적화 반복 안에서 도는 수천 번의 파동 시뮬레이션.처음 등장: 1984 타란톨라의 음향 근사에서의 지진 반사 자료 역산이에요. 출처

스펙트럴 요소 지진파 전파

지진파가 지형과 지층을 따르는 고차 요소로 만든 지각이나 지구 전체의 3차원 모델을 통해 퍼져 나가요.

답하는 질문: 파동은 실제의 울퉁불퉁한 지구를 어떻게 지나갈까요?

빠진 것: 지구 모델은 작은 규모의 구조와 감쇠에서 불확실해서, 짧은 주기는 덜 믿을 만해요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁷ FLOPS 대략 몇 초 주기까지 풀어내는 지구 전체 계산.처음 등장: 1998 Komatitsch and Vilotte's spectral element method for seismic response of two- and three-dimensional structures. 출처

지진 주기 시뮬레이션

판의 움직임으로 천천히 하중을 받는 단층에서, 달라붙었다 미끄러지는 마찰로 조용히 쌓이다 갑자기 파열하는 주기를 수없이 시뮬레이션해요.

답하는 질문: 지진은 수백 년에 걸쳐 한 단층에서 어떻게 되풀이될까요?

빠진 것: 마찰 법칙은 실험실에서 얻은 것이라서, 측정된 적 없는 깊이와 속도까지 외삽해서 써요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 수천 년에 걸친 속도-상태 단층 주기.처음 등장: 1986 Tse와 Rice의 마찰 미끄러짐 성질의 깊이 변화와 관련한 지각 지진 불안정성이에요. 출처

확률론적 지진 목록 모델

충격 하나하나가 여진 가능성을 높이는 통계 모델로 합성 지진 연쇄를 만들어서, 지진의 군집과 위험도를 예측해요.

답하는 질문: 큰 지진 뒤에 여진이 일어날 가능성은 얼마나 될까요?

빠진 것: 모델은 통계적 군집은 잡아내지만, 단층 응력의 물리는 담고 있지 않아요.

돌아가는 곳: 약 10⁶ FLOPS 대략 확률론적 목록은 비용이 적게 들고, 긴 앙상블도 워크스테이션 한 대로 돌려요.처음 등장: 1988 Ogata's statistical models for earthquake occurrences and residual analysis for point processes. 출처

지표면 모델

토양, 식물, 공기 사이의 물, 열, 이산화탄소 교환을 대기·기후 모델의 지표 구성 요소로 적어요.

답하는 질문: 식물과 토양은 땅과 공기 사이를 오가는 열과 물을 어떻게 조절할까요?

빠진 것: 식생은 셀마다 몇 개의 매개변수로 나타내고, 토양 속 물의 이동은 크게 단순화돼 있어요.

돌아가는 곳: 약 10¹² FLOPS 대략 기후 모델 안의 격자 칸마다 1차원 기둥 하나.처음 등장: 1986 Sellers, Mintz, Sud and Dalcher's simple biosphere model for use within general circulation models. 출처

화재와 대기의 결합 모델

화재 전선과 그것이 만드는 바람을 함께 풀어요. 불의 열이 공기를 끌어들여 흐름을 바꾸고, 그것이 다시 불이 번지는 방식과 불씨와 연기가 날리는 방식을 바꿔요.

답하는 질문: 불은 자신을 몰아가는 바람을 어떻게 바꿀까요?

빠진 것: 연소와 연료는 단순한 속도 법칙으로 표현돼서, 수관화와 비화 같은 극단적 행동은 대략만 담겨요.

돌아가는 곳: 약 10¹⁴ FLOPS 대략 수십 미터 해상도의 큰 화재 하나에 클러스터로 며칠.처음 등장: 1996 Clark, Jenkins, Coen의 화선 동역학에 대한 대기-화재 결합 모델. 출처