Terra e clima

Modelos do sistema terrestre

Atmosfera, oceano, gelo marinho, terra e ciclo do carbono acoplados em uma grade global e rodados por séculos.

Pergunta que responde: Quanto o planeta esquenta sob uma dada trajetória de emissões?

Deixa de fora: As nuvens ainda são representadas por parametrizações, a maior fonte isolada de divergência entre os modelos.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado uma grande parte de um supercomputador nacional, por meses.Desde: 1969 O primeiro modelo climático acoplado oceano-atmosfera, de Manabe e Bryan.Na árvore de simulações: Oceano e atmosfera acoplados

Paleoclima

Os mesmos modelos rodam sobre eras glaciais e tempo profundo, com continentes, órbitas e atmosferas diferentes.

Pergunta que responde: O que desencadeou as eras glaciais, e o que o passado diz sobre a sensibilidade do clima?

Deixa de fora: Litorais, gelo e vegetação antigos são reconstruídos a partir de poucas evidências e depois tratados como dados conhecidos.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado semelhante a uma execução climática moderna, uma fração de supercomputador por meses.Desde: 1977 A primeira simulação de clima da era glacial com um GCM, de Manabe e Hahn.

Calotas de gelo e nível do mar

Geleiras e mantos de gelo fluindo, derretendo e se desprendendo no mar.

Pergunta que responde: Com que rapidez as calotas de gelo poderiam elevar o nível do mar neste século?

Deixa de fora: A física de como o gelo se fratura e desliza de repente ainda é mal captada.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado um cluster universitário, de dias a semanas por século simulado.Desde: 1976 O primeiro modelo computacional de diferenças finitas de uma calota de gelo, de Mahaffy.

Modelos de avaliação integrada

Energia, economia, uso do solo e clima ligados em um só modelo, usado para comparar caminhos de política.

Pergunta que responde: Que mistura de energia e uso do solo mantém o aquecimento abaixo de um dado limite, e a que custo?

Deixa de fora: Reduz a economia e o clima inteiros a um punhado de equações, então a resposta depende muito da taxa de desconto escolhida.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado um laptop; uma execução completa leva de segundos a minutos.Desde: 1992 O modelo DICE de Nordhaus, o primeiro modelo clima-economia amplamente usado.

Regionalização de clima por redução de escala

A saída grosseira de um modelo climático global usada para alimentar um modelo regional mais fino sobre um país ou uma cordilheira.

Pergunta que responde: O que o aquecimento global realmente significa para o clima neste vale?

Deixa de fora: Herda os vieses de qualquer modelo global em que esteja aninhado, apenas em resolução mais alta.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado um cluster nacional, semanas para uma única projeção regional.Desde: 1989 os primeiros modelos climáticos regionais aninhados rodados sobre uma área limitada.

Geoengenharia solar

Modelos climáticos rodados com uma intervenção deliberada acrescentada, como partículas refletoras injetadas na alta atmosfera, para ver o que mudaria.

Pergunta que responde: Reduzir de propósito a luz solar que chega poderia compensar o aquecimento, e que efeitos colaterais teria?

Deixa de fora: Nenhuma intervenção desse tipo foi realizada em grande escala, então todo resultado depende de quão bem o modelo representa aerossóis nunca observados sob tal implantação.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado uma grande parte de um supercomputador nacional, por meses.Desde: 1992 os primeiros experimentos com modelos climáticos testando uma intervenção hipotética do tipo vulcânico.

Modelos do sistema Terra-sociedade

Modelos climáticos acoplados a representações dinâmicas simples do comportamento humano, de modo que emissões, política e mudança social respondam ao estado do planeta.

Pergunta que responde: Como os pontos de virada sociais e as retroalimentações climáticas interagem ao longo de séculos?

Deixa de fora: As regras de comportamento são hipóteses, e o detalhe climático espacial é grosseiro.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado Modelos de complexidade reduzida rodados em grandes conjuntosDesde: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) fonte

Modelos globais que resolvem nuvens

Modelos atmosféricos com grade fina o bastante, alguns quilômetros, para representar explicitamente a convecção profunda em todo o globo.

Pergunta que responde: Sistemas de nuvens tropicais podem ser simulados diretamente em vez de por parâmetros?

Deixa de fora: As execuções são curtas, e a turbulência e a microfísica das nuvens ainda são aproximadas.

Roda em: cerca de 10¹⁸ FLOPS aproximado Semanas de tempo simulado nas maiores máquinasDesde: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) fonteNa árvore de simulações: Modelo global de resolução de nuvens

Superparametrização

Um pequeno modelo que resolve nuvens é embutido em cada coluna de um modelo global grosseiro para substituir o esquema usual de convecção.

Pergunta que responde: A física explícita de nuvens consegue melhorar um modelo climático sem uma grade global fina completa?

Deixa de fora: Os modelos embutidos são pequenos e não conversam com as colunas vizinhas.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado Modelos 2D de nuvens embutidos multiplicam o custo muitas vezesDesde: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) fonte

Atribuição de eventos extremos

Grandes conjuntos de execuções climáticas com e sem influência humana dão as chances de uma onda de calor, inundação ou tempestade específica em cada mundo.

Pergunta que responde: Quanto as emissões humanas mudaram a chance deste evento em particular?

Deixa de fora: Os resultados dependem de quão bem o modelo reproduz o tipo de evento naquela escala.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado Centenas a milhares de membros do conjuntoDesde: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) fonte

Conjuntos de física perturbada computados por voluntários

Milhares de cópias de um modelo climático, cada uma com parâmetros físicos um pouco diferentes, executadas em computadores domésticos doados.

Pergunta que responde: Qual a amplitude da faixa de aquecimento compatível com uma física de modelo incerta?

Deixa de fora: A estrutura do modelo é fixa; só os parâmetros variam.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado Dezenas de milhares de execuções do modeloDesde: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) fonte

Grandes conjuntos de condições iniciais

Um único modelo climático é rodado dezenas de vezes a partir de inícios ligeiramente diferentes para separar a mudança forçada da variabilidade interna.

Pergunta que responde: Que parte de uma tendência regional é o ruído do próprio clima?

Deixa de fora: Capta a variabilidade dentro de um modelo, não as diferenças entre eles.

Roda em: cerca de 10¹⁸ FLOPS aproximado Dezenas de execuções acopladas de séculosDesde: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) fonte

Emuladores climáticos aprendidos

Uma rede neural treinada com a saída de modelos climáticos avança a atmosfera por décadas ou séculos a uma fração mínima do custo.

Pergunta que responde: Um substituto treinado consegue reproduzir rapidamente estatísticas climáticas de várias décadas?

Deixa de fora: Herda os vieses do modelo com que foi treinado e pode falhar fora dos climas que viu.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado Treinamento com arquivos de modelos, e depois execuções longas e baratasDesde: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) fonte

Gêmeos digitais do sistema terrestre

Modelos do planeta atualizados continuamente e em alta resolução, alimentados por observações e construídos para responder a perguntas do tipo "e se" para os usuários.

Pergunta que responde: O que aconteceria com uma região se uma dada decisão ou evento ocorresse?

Deixa de fora: O gêmeo só é tão fiel quanto seus modelos e dados, e os cenários interativos são limitados.

Roda em: cerca de 10¹⁹ FLOPS aproximado Modelos globais em escala de quilômetros com assimilaçãoDesde: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) fonte

Modelo climático radiativo-convectivo

Uma única coluna de atmosfera em equilíbrio entre radiação e convecção, usada para descobrir quanto um planeta esquenta quando o dióxido de carbono ou a umidade mudam.

Pergunta que responde: Quanto uma coluna de ar esquenta quando seu gás de efeito estufa dobra?

Deixa de fora: Não tem ventos, nuvens nem transporte oceânico, então dá um aquecimento de referência, e não uma previsão.

Roda em: cerca de 10⁴ FLOPS aproximado uma coluna unidimensional, rápida em um laptop.Desde: 1967 O equilíbrio térmico da atmosfera com uma dada distribuição de umidade relativa, de Manabe e Wetherald. fonte

Modelo climático de balanço de energia

A Terra reduzida a faixas de latitude que absorvem e emitem calor e o trocam por transporte, o bastante para mostrar a realimentação gelo-albedo e a virada entre estados climáticos.

Pergunta que responde: Uma expansão descontrolada da cobertura de gelo poderia congelar o planeta inteiro?

Deixa de fora: A imagem ignora a dinâmica e o clima, então informa, mas não prevê.

Roda em: cerca de 10³ FLOPS aproximado um punhado de equações; segundos em qualquer computador.Desde: 1969 O modelo climático global de Sellers, baseado no balanço de energia do sistema Terra-atmosfera. fonte

Modelagem dinâmica global de vegetação e do ciclo do carbono

Plantas, solos e suas trocas de carbono simulados no globo inteiro, com tipos de vegetação competindo e mudando conforme o clima muda.

Pergunta que responde: Quanto carbono a terra vai absorver ou liberar conforme o clima esquenta?

Deixa de fora: Os tipos de plantas são agrupados em poucas classes funcionais, e a retroalimentação de nutrientes e de perturbações é grosseira.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado execuções globais de vários séculos, muitas vezes em uma grade grosseira.Desde: 1996 O modelo integrado de biosfera de Foley e colegas para processos da superfície terrestre, balanço de carbono terrestre e dinâmica da vegetação. fonte

Simulação acoplada do ciclo do carbono e do clima

Um modelo climático com o ciclo de carbono da terra e do oceano dentro dele, de modo que o aquecimento pode mudar quanto a Terra absorve e realimentar a si mesmo.

Pergunta que responde: O aquecimento vai transformar terra e oceano de absorvedores de carbono em fontes?

Deixa de fora: A resposta do carbono terrestre varia muito entre os modelos por causa das suposições sobre solo e vegetação.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado execuções climáticas acopladas de vários séculos em um supercomputador.Desde: 2000 Cox, Betts, Jones, Spall and Totterdell's acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model. fonte

Modelagem do ecossistema e da biogeoquímica oceânicos

Nutrientes, plâncton e detritos transportados e reciclados pelo oceano, para prever a produtividade e o carbono levado ao fundo.

Pergunta que responde: Quanto carbono a vida oceânica leva para o mar profundo?

Deixa de fora: Os grupos de plâncton são poucos compartimentos agregados, com taxas ajustadas.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado um módulo biogeoquímico dentro de um modelo de circulação geral do oceano.Desde: 1990 O modelo de dinâmica do plâncton baseado em nitrogênio na camada de mistura oceânica, de Fasham, Ducklow e McKelvie. fonte

Parametrização de submalha aprendida

Uma rede neural treinada em um modelo que resolve nuvens substitui as regras escritas à mão para tempestades e nuvens pequenas demais para um modelo climático global grosseiro.

Pergunta que responde: Um modelo climático grosseiro consegue acertar as nuvens pequenas aprendendo-as com um modelo mais fino?

Deixa de fora: A rede pode derivar para estados instáveis ou não físicos quando o clima sai das condições com que foi treinada.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado treinamento com um pequeno conjunto de simulações de alta resolução, e depois uso barato dentro do modelo climático.Desde: 2018 A representação por aprendizado profundo de processos de submalha em um modelo climático, de Rasp, Pritchard e Gentine. fonte

Previsão numérica do tempo

A atmosfera observada hoje avançada em horas a dias, em geral como um conjunto de pontos de partida ligeiramente diferentes.

Pergunta que responde: Vai chover aqui na quinta-feira, e com que certeza?

Deixa de fora: A habilidade desaba depois de cerca de dez dias, por mais fina que seja a grade.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado o supercomputador de um centro meteorológico nacional, alguns por cento dele por horas.Desde: 1950 A primeira previsão numérica de Charney, Fjortoft e von Neumann.Na árvore de simulações: Primeira previsão por computador

Previsão do tempo aprendida por máquina

Redes neurais treinadas em décadas de tempo passado, produzindo previsões em segundos em vez de horas.

Pergunta que responde: Um emulador aprendido consegue prever tão bem quanto a física com que foi treinado?

Deixa de fora: Aprende os padrões do tempo passado, por isso tem dificuldade com o tipo de evento extremo que nunca viu.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado uma única GPU de ponta; previsões em segundos em vez de horas.Desde: 2022 primeiros modelos de tempo aprendidos a igualar a habilidade de previsão baseada em física.

Ciclones tropicais

Furacões e tufões em alta resolução: trajetórias, intensidade e chuva.

Pergunta que responde: Onde a tempestade vai tocar a costa, e com que força?

Deixa de fora: O olho e a parede do olho do furacão ainda são menores do que a maioria dos modelos consegue resolver bem.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado o cluster de um centro nacional de previsão, rodado para cada tempestade ativa.Desde: 1969 O pioneiro modelo numérico do desenvolvimento de um furacão, de Ooyama.

Qualidade do ar e dispersão

Poluentes, fumaça e cinzas vulcânicas levados, misturados e transformados quimicamente pelo vento.

Pergunta que responde: Para onde vai a pluma, e o ar é seguro para respirar ou para voar através dele?

Deixa de fora: Os inventários de emissões, a entrada de que toda a previsão depende, muitas vezes estão desatualizados ou estimados.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, horas por episódio de poluição.Desde: 1970 os primeiros modelos computadorizados de pluma gaussiana para a poluição de chaminés.

Previsão sazonal

Um conjunto de simulações climáticas longas, iniciadas a partir do oceano e da atmosfera de hoje, voltado às chances de uma estação inteira, e não de um dia qualquer.

Pergunta que responde: Este inverno vai ser mais quente ou mais úmido que a média?

Deixa de fora: Não consegue dizer como será o tempo em um dia qualquer, só como as chances se deslocam.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado o supercomputador de um centro nacional de previsão, um conjunto de execuções a cada temporada.Desde: 1986 as primeiras previsões sazonais dinâmicas usando modelos acoplados ao oceano.

Tempestades convectivas severas

Uma única tempestade ou supercélula, resolvida até a escala de suas correntes ascendente e descendente, para ver se gera um tornado ou larga granizo grande.

Pergunta que responde: Esta tempestade vai produzir um tornado, e onde?

Deixa de fora: Exige uma grade fina o bastante para enxergar um tornado, o que é caro demais para rodar em todo lugar onde uma tempestade possa se formar.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado um cluster nacional, horas para uma única tempestade em altíssima resolução.Desde: 1975 os primeiros modelos computacionais tridimensionais de uma única tempestade.

Previsão do tempo generativa por conjuntos

Um modelo de difusão sorteia muitos futuros plausíveis do tempo para as próximas duas semanas, dando probabilidades para cada variável em escala global.

Pergunta que responde: Um modelo aprendido consegue fornecer, a baixo custo, uma incerteza de previsão calibrada?

Deixa de fora: Está preso aos dados de reanálise e não oferece garantia física sobre extremos raros.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado Treinamento com décadas de reanálise, minutos por membro do conjuntoDesde: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) fonte

Previsão do tempo por conjuntos

Uma previsão rodada muitas vezes a partir de estados iniciais ligeiramente diferentes, de modo que a dispersão mostra o quanto o tempo é incerto e quão provável é cada resultado.

Pergunta que responde: Quanta confiança se pode ter em uma previsão do tempo, e o que poderia acontecer em vez dela?

Deixa de fora: Perturbações no estado inicial captam só em parte o erro do modelo, então a dispersão costuma ser estreita demais.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado dezenas de previsões globais por dia, cada uma uma grande execução.Desde: 1974 A habilidade teórica de previsões Monte Carlo, de Leith. fonte

Reanálise atmosférica

Um modelo de previsão moderno e fixo rodado sobre décadas de observações passadas, combinando-as em um registro consistente e sem lacunas da atmosfera.

Pergunta que responde: Como eram os ventos, as temperaturas e as pressões em cada lugar e momento do passado?

Deixa de fora: Mudanças no sistema de observação ao longo do tempo deixam tendências artificiais no registro.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado décadas de ciclos de assimilação em um supercomputador.Desde: 1996 O projeto de reanálise de 40 anos do NCEP/NCAR, de Kalnay e colegas. fonte

Simulação de grandes vórtices da camada limite atmosférica

O quilômetro mais baixo da atmosfera, onde vórtices turbulentos misturam calor, umidade e poluentes, com os vórtices grandes resolvidos e os pequenos modelados.

Pergunta que responde: Como os redemoinhos turbulentos levam calor e umidade do solo para cima?

Deixa de fora: A troca na superfície e a mistura em subgrade são parametrizadas, o que limita a precisão perto do solo.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado alguns quilômetros de domínio com resolução de dezenas de metros.Desde: 1972 A investigação numérica de Deardorff de camadas limite planetárias neutras e instáveis. fonte

Simulação global que resolve tempestades

Um modelo atmosférico do planeta inteiro com resolução de alguns quilômetros, de modo que aglomerados de tempestades e tempestades tropicais apareçam sem parametrização da convecção.

Pergunta que responde: O que a atmosfera faz quando as tempestades são resolvidas em vez de aproximadas?

Deixa de fora: A microfísica de nuvens e a turbulência abaixo de alguns quilômetros continuam parametrizadas, e as execuções são curtas demais para estudar o clima.

Roda em: cerca de 10¹⁹ FLOPS aproximado semanas nas maiores máquinas para alguns meses simulados.Desde: 2008 O modelo atmosférico icosaédrico não hidrostático para simulações globais que resolvem nuvens, de Satoh e colegas. fonte

Emissão e transporte de poeira mineral

O vento levantando poeira do deserto, levando-a através dos mares e depositando-a, para achar seu efeito na radiação, nos nutrientes do oceano e na qualidade do ar.

Pergunta que responde: Quanta poeira do deserto entra no ar, e para onde ela vai?

Deixa de fora: Os limiares de emissão dependem de propriedades do solo e da superfície que são mal mapeadas.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado um módulo de poeira dentro de um modelo atmosférico ao longo de anos.Desde: 1994 O modelo de Tegen e Fung para a poeira mineral na atmosfera: fontes, transporte e espessura óptica. fonte

Modelagem do balanço de energia da superfície urbana

Ruas, telhados e paredes tratados como um cânion que troca calor, umidade e momento com o ar, para prever ilhas de calor urbanas e a necessidade de refrigeração dos prédios.

Pergunta que responde: Por que uma cidade é mais quente que o campo ao redor?

Deixa de fora: As cidades são reduzidas a cânions idealizados, então o detalhe dos edifícios e o calor do tráfego são aproximados.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado um esquema de cânion dentro de um modelo atmosférico sobre uma área metropolitana.Desde: 2000 O esquema de base física para o balanço de energia urbano em modelos atmosféricos, de Masson. fonte

Modelagem da termosfera e da ionosfera

A atmosfera superior, de 100 a 600 quilômetros, aquecida pela luz solar e por partículas, com ventos e correntes elétricas que mudam o arrasto dos satélites e os sinais de rádio.

Pergunta que responde: Como a atividade solar muda a atmosfera superior e a propagação de rádio?

Deixa de fora: O limite inferior e a energia vinda de cima são impostos a partir de dados escassos.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado simulação acoplada da alta atmosfera ao longo de dias de clima espacial.Desde: 1988 O modelo de circulação geral acoplado de termosfera e ionosfera, de Roble, Ridley, Richmond e Dickinson. fonte

Circulação oceânica

Correntes, vórtices, calor e sal se movendo pelos oceanos do mundo.

Pergunta que responde: As grandes correntes de revolvimento do Atlântico poderiam desacelerar?

Deixa de fora: Os vórtices que misturam calor e carbono são em sua maioria menores que a grade, então seu efeito precisa ser parametrizado.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado um grande cluster, semanas para uma simulação de várias décadas.Desde: 1969 O primeiro modelo computacional de Bryan da circulação global dos oceanos.

Tsunamis e marés meteorológicas

Ondas levantadas por terremotos ou tempestades, atravessando o oceano e subindo pela costa.

Pergunta que responde: Até que altura a água vai chegar, e quais ruas alagam primeiro?

Deixa de fora: As defesas costeiras e a drenagem costumam ser simplificadas muito abaixo da resolução do próprio espraiamento.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado uma estação de trabalho; minutos para uma simulação de alerta costeiro.Desde: 1969 Os primeiros experimentos numéricos de Aida para modelar um tsunami.

Rios e inundações

Chuva caindo sobre uma bacia de captação, infiltrando-se ou escorrendo para córregos, rios e planícies de inundação.

Pergunta que responde: Qual o tamanho da cheia que esta tempestade provoca, e onde?

Deixa de fora: O solo e o uso da terra são calculados pela média da bacia, o que esconde o único campo ou voçoroca que de fato alaga.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado um laptop; uma execução de bacia hidrográfica leva minutos.Desde: 1966 O modelo de chuva-vazão Stanford Watershed de Crawford e Linsley.

Águas subterrâneas

Água se movendo devagar pelo solo e pela rocha nos aquíferos.

Pergunta que responde: Por quanto tempo podemos bombear este aquífero antes que os poços sequem?

Deixa de fora: As propriedades das rochas e do solo do subsolo são mapeadas a partir de furos de sondagem a centenas de metros um do outro, então a maior parte do aquífero é inferida.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado um laptop ou estação de trabalho; de minutos a horas por aquífero.Desde: 1968 O pioneiro modelo de diferenças finitas de aquífero, de Pinder e Bredehoeft.

Gelo marinho

Gelo flutuante na superfície do oceano, rachando, formando cristas, à deriva e derretendo sob vento, ondas e calor.

Pergunta que responde: Quanto do oceano Ártico ainda estará coberto de gelo no fim do verão?

Deixa de fora: Trata um campo heterogêneo de blocos de gelo rachados e com cristas como uma lâmina contínua e lisa.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado um cluster universitário ou nacional, semanas acoplado a uma simulação do oceano.Desde: 1969 os primeiros modelos computacionais do gelo marinho à deriva no Ártico.

Previsão de ondas oceânicas

O vento soprando sobre mar aberto, gerando e conduzindo ondulação e vagas, acompanhado para prever a altura e a direção das ondas para navios e costas.

Pergunta que responde: Quão agitado vai estar o mar aqui amanhã?

Deixa de fora: Tem desempenho ruim nas cristas mais íngremes, no momento da quebra, que são as que mais importam para a segurança marítima.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado o cluster de um centro nacional de previsão, rodado várias vezes por dia.Desde: 1956 a primeira previsão numérica de ondas, na sequência dos métodos de previsão de ondulação do tempo de guerra.

Modelagem de inundações

Água de um rio ou de uma tempestade se espalhando por uma planície de inundação numa grade de terreno, para mapear profundidade e extensão para seguros e planejamento.

Pergunta que responde: Que ruas e campos ficam debaixo d'água numa enchente?

Deixa de fora: A precisão do terreno e o hidrograma de entrada dominam o erro, não os métodos numéricos.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado modelos de águas rasas ou raster, em duas dimensões, de uma bacia hidrográfica.Desde: 2000 Bates and De Roo's simple raster-based model for flood inundation simulation. fonte

Modelagem da circulação costeira e de estuários

Marés, rios e ventos movendo água, sal e sedimentos por baías e estuários numa grade que acompanha o terreno.

Pergunta que responde: Como as marés e os rios misturam a água ao longo de uma costa?

Deixa de fora: Erros de mistura em pequena escala e de batimetria limitam a precisão perto da costa.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado modelo regional tridimensional com execuções de um ano.Desde: 1987 Blumberg and Mellor's description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. fonte

Detritos marinhos e modelagem de deriva lagrangiana

Partículas virtuais levadas por correntes oceânicas simuladas ou observadas para achar para onde vão plástico flutuante, óleo ou larvas.

Pergunta que responde: Para onde vai o plástico flutuante de uma costa?

Deixa de fora: O arrasto do vento, a deriva das ondas e o afundamento ou a fragmentação das partículas são mal conhecidos.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado milhões de partículas transportadas por um ano de escoamento oceânico.Desde: 2012 A origem, a dinâmica e a evolução das manchas de lixo oceânicas a partir de boias de superfície observadas, de van Sebille, England e Froyland. fonte

Simulação de reservatórios de petróleo e gás

Petróleo, gás e água escoando pelos poros de um reservatório rochoso rumo aos poços, para planejar a perfuração e prever quanto pode ser recuperado.

Pergunta que responde: Quanto petróleo um campo vai render, e onde os poços devem ficar?

Deixa de fora: As propriedades das rochas entre poços são inferidas a partir de poucos dados, então a incerteza costuma ser maior que o erro numérico.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado escoamento multifásico em um modelo geológico de milhões de células.Desde: 1955 A solução numérica de equações diferenciais parabólicas e elípticas de Peaceman e Rachford, a base dos primeiros simuladores de reservatórios. fonte

Ajuste isostático glacial e impressões digitais do nível do mar

A crosta da Terra se reerguendo enquanto as camadas de gelo derretem e os oceanos se redistribuem, para prever a mudança regional do nível do mar e o campo gravitacional.

Pergunta que responde: Por que o nível do mar cai em alguns lugares quando o gelo derrete e sobe em outros?

Deixa de fora: A viscosidade do manto sob as placas é pouco restringida e varia de região para região.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado modelos de Terra viscoelástica resolvidos numa esfera.Desde: 1976 O cálculo do nível do mar pós-glacial de Farrell e Clark. fonte

Simulação de armazenamento geológico de dióxido de carbono

Dióxido de carbono injetado se espalhando, subindo e se dissolvendo em uma formação rochosa salina, com aprisionamento por rocha selante, capilaridade e reações minerais acompanhado ao longo de séculos.

Pergunta que responde: O gás vai ficar no subsolo, e para onde ele vai?

Deixa de fora: A rocha abaixo do furo de sondagem é conhecida só por alguns poços e levantamentos, então a permeabilidade e as falhas são estimadas com ampla incerteza.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado semanas num cluster para um modelo em escala de bacia ao longo de milhares de anos.Desde: 2002 A comparação entre códigos numéricos para o descarte geológico de CO2, feita pelo Lawrence Berkeley. fonte

Transporte reativo no subsolo

Água carregando substâncias químicas por rocha ou solo enquanto minerais se dissolvem, precipitam e trocam íons, resolvida junto com o escoamento.

Pergunta que responde: Como a química e a hidráulica de um aquífero ou de um depósito mudam uma à outra ao longo do tempo?

Deixa de fora: As taxas de reação medidas em laboratório são aplicadas a rochas cuja área de superfície reativa no subsolo é desconhecida.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado dias em um cluster para um local de campo tridimensional.Desde: 1985 O modelo de contínuo de Lichtner para reações químicas e transporte de massa acoplados em sistemas hidrotermais. fonte

Convecção do manto e tectônica de placas

Rocha quente se deslocando devagar dentro do planeta ao longo de centenas de milhões de anos, carregando as placas por cima.

Pergunta que responde: Por que a Terra tem tectônica de placas e seus vizinhos não?

Deixa de fora: Roda milhões de anos simulados de uma vez, então não consegue mostrar também um único terremoto.

Roda em: cerca de 10¹⁵ FLOPS aproximado um cluster universitário, semanas para uma longa execução.Desde: 1974 O primeiro modelo numérico de convecção do manto, de McKenzie, Roberts e Weiss.

Terremotos e ondas sísmicas

Falhas se rompendo e as ondas se espalhando pela crosta para sacudir o chão.

Pergunta que responde: Com que força esta cidade vai tremer se aquela falha se romper?

Deixa de fora: O ponto de partida da ruptura e a rugosidade exata da falha ainda são presumidos, não conhecidos de antemão.

Roda em: cerca de 10¹⁶ FLOPS aproximado um cluster nacional ou universitário, dias para uma grande ruptura de falha.Desde: 1968 O modelo inicial de diferenças finitas de Alterman e Karal para ondas sísmicas.

Erupções vulcânicas e fluxos de lava

Magma subindo, entrando em erupção e escorrendo morro abaixo como lava, cinzas ou nuvens quentes de alta velocidade.

Pergunta que responde: Que vilarejos ficam no caminho se o vulcão entrar em erupção?

Deixa de fora: Não consegue prever quando uma erupção começa, só o que acontece depois que ela já começou.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, horas por cenário.Desde: 1980 os primeiros modelos computacionais de lava descendo uma encosta a partir de uma abertura.

Evolução da paisagem

Rios escavando vales, encostas se arrastando e costas sendo erodidas ao longo de milhares a milhões de anos.

Pergunta que responde: Como esta paisagem ganhou sua forma?

Deixa de fora: Comprime milhões de anos em uma execução, de modo que qualquer tempestade ou queda de rochas isolada é suavizada.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado uma estação de trabalho; dias para uma paisagem de um milhão de anos.Desde: 1991 O modelo pioneiro de evolução de paisagens computado por Willgoose e colegas.

Propagação de incêndios florestais

Fogo se movendo por combustível, terreno e vento, célula a célula.

Pergunta que responde: Onde estará a frente do fogo daqui a seis horas?

Deixa de fora: O vento, o maior fator do comportamento de um incêndio real, costuma ser simplificado como uma média constante.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou laptop; minutos para uma frente de fogo em expansão.Desde: 1972 As equações de propagação de incêndios de Rothermel, logo computadorizadas para previsão.

Executar o modelo interativo

Deslizamentos de terra e fluxos de detritos

Uma encosta de solo, rocha ou lama que cede e desce a ladeira, acompanhada enquanto acelera, se espalha e enterra o terreno abaixo.

Pergunta que responde: Até onde esta encosta vai se deslocar depois de ceder, e com que velocidade?

Deixa de fora: O momento em que uma encosta de fato cede ainda é mais difícil de prever do que o que acontece depois.

Roda em: cerca de 10¹³ FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, horas por cenário de encosta.Desde: 1980 os primeiros modelos computacionais de alcance de deslizamento para uma encosta que cede.

Risco sísmico de base física

Simulações da ruptura de terremotos e da propagação de ondas substituem regras empíricas de atenuação para dar o tremor em cada local.

Pergunta que responde: Com que intensidade o solo tremeria aqui para cada possível ruptura?

Deixa de fora: Exige um modelo de velocidades conhecido, e as altas frequências são difíceis de resolver.

Roda em: cerca de 10¹⁸ FLOPS aproximado Muitos cenários de ruptura, cada um uma simulação de ondas em 3DDesde: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) fonte

Simulação do geodínamo

A convecção do ferro líquido no núcleo da Terra gerando e sustentando o campo magnético, inclusive suas inversões aleatórias.

Pergunta que responde: Como o núcleo da Terra produz seu campo magnético, e por que ele se inverte?

Deixa de fora: Os valores de viscosidade e condutividade estão longe dos reais, então o fluxo é muito mais suave do que dentro da Terra.

Roda em: cerca de 10¹⁸ FLOPS aproximado meses em um supercomputador para um dínamo que ainda opera longe das condições da Terra.Desde: 1995 A simulação tridimensional autoconsistente de uma inversão do campo geomagnético, de Glatzmaier e Roberts. fonte

Inversão sísmica de forma de onda completa

Ondas sísmicas passadas repetidamente por um modelo de teste da Terra, que é ajustado até que as ondas sintéticas e as registradas coincidam, para obter imagens da estrutura das rochas.

Pergunta que responde: Como é a rocha sob nossos pés, vista pelas ondas que a atravessaram?

Deixa de fora: A inversão pode se prender a soluções erradas, a menos que o modelo inicial esteja próximo.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado milhares de simulações de ondas dentro de um laço de otimização.Desde: 1984 A inversão de dados de reflexão sísmica na aproximação acústica, de Tarantola. fonte

Propagação de ondas sísmicas por elementos espectrais

Ondas sísmicas se propagando por um modelo tridimensional da crosta ou da Terra inteira, com elementos de alta ordem que seguem o relevo e as camadas.

Pergunta que responde: Como as ondas viajam pela Terra real, cheia de irregularidades?

Deixa de fora: Os modelos da Terra são incertos na estrutura em pequena escala e na atenuação, então os períodos curtos são menos confiáveis.

Roda em: cerca de 10¹⁷ FLOPS aproximado execuções da Terra inteira resolvendo períodos de alguns segundos.Desde: 1998 O método de elementos espectrais para a resposta sísmica de estruturas bi e tridimensionais, de Komatitsch e Vilotte. fonte

Simulação do ciclo sísmico

Uma falha carregada lentamente pelo movimento das placas, com atrito que trava e escorrega, simulada ao longo de muitos ciclos de acúmulo silencioso e ruptura súbita.

Pergunta que responde: Como os terremotos se repetem em uma falha ao longo de séculos?

Deixa de fora: A lei de atrito vem do laboratório e é extrapolada para profundidades e velocidades nunca medidas.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado ciclos de falha com taxa e estado ao longo de milhares de anos.Desde: 1986 A instabilidade de terremotos da crosta em relação à variação com a profundidade das propriedades de deslizamento por atrito, de Tse e Rice. fonte

Modelos estocásticos de catálogos de terremotos

Sequências sintéticas de terremotos geradas por um modelo estatístico em que cada abalo aumenta a chance de réplicas, para prever agrupamentos e perigo.

Pergunta que responde: Qual a probabilidade de réplicas depois de um grande terremoto?

Deixa de fora: O modelo capta o agrupamento estatístico, mas não tem a física da tensão das falhas geológicas.

Roda em: cerca de 10⁶ FLOPS aproximado catálogos estocásticos custam pouco, e um conjunto longo roda numa estação de trabalho.Desde: 1988 Os modelos estatísticos de ocorrência de terremotos e a análise de resíduos para processos pontuais, de Ogata. fonte

Modelo de superfície terrestre

A troca de água, calor e dióxido de carbono entre solo, plantas e ar, escrita como um componente de superfície para modelos de atmosfera e clima.

Pergunta que responde: Como as plantas e o solo controlam o calor e a água que passam entre o chão e o ar?

Deixa de fora: A vegetação é descrita por poucos parâmetros por célula, e o movimento da água no solo é muito simplificado.

Roda em: cerca de 10¹² FLOPS aproximado uma coluna unidimensional por célula da grade dentro dos modelos climáticos.Desde: 1986 O modelo simples de biosfera para uso em modelos de circulação geral, de Sellers, Mintz, Sud e Dalcher. fonte

Modelos acoplados de fogo e atmosfera

Uma frente de fogo e o vento que ela cria são resolvidos juntos: o calor do fogo puxa o ar, muda o fluxo e, por sua vez, altera como o fogo se espalha e lança brasas e fumaça.

Pergunta que responde: Como um incêndio remodela o vento que o alimenta?

Deixa de fora: A combustão e o combustível são representados por leis de taxa simples, então comportamentos extremos como incêndios de copa e saltos de fagulhas são captados só de modo aproximado.

Roda em: cerca de 10¹⁴ FLOPS aproximado dias em um cluster para um grande incêndio em resolução de dezenas de metros.Desde: 1996 O modelo acoplado de atmosfera e fogo da dinâmica de linhas de fogo, de Clark, Jenkins e Coen. fonte