Земля и климат

Модели системы Земли

Атмосфера, океан, морской лёд, суша и углеродный цикл связаны на глобальной сетке и считаются на века.

Вопрос, на который отвечает: Насколько нагреется планета при заданном пути выбросов?

Не учитывает: Облака по-прежнему представлены параметризациями — это самый большой источник расхождений между моделями.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно большая доля национального суперкомпьютера, на месяцы.С: 1969 Первая связанная климатическая модель океана и атмосферы, Manabe и Bryan.В дереве симуляций: Связанные модели океана и атмосферы

Палеоклимат

Те же модели прогоняют на ледниковые периоды и глубокое время с другими континентами, орбитами и атмосферами.

Вопрос, на который отвечает: Что запустило ледниковые периоды и что прошлое говорит о чувствительности климата?

Не учитывает: Древние береговые линии, лёд и растительность восстанавливают по скудным свидетельствам, а потом принимают за известные исходные данные.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно сопоставимо с современным климатическим расчётом, часть суперкомпьютера на месяцы.С: 1977 Первая симуляция климата ледникового периода на модели общей циркуляции, Manabe и Hahn.

Ледяные щиты и уровень моря

Ледники и ледяные щиты текут, тают и откалываются в море.

Вопрос, на который отвечает: Как быстро ледяные щиты могут добавить уровня морю в этом столетии?

Не учитывает: Физика того, как лёд внезапно ломается и сходит, по-прежнему плохо схвачена.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, от дней до недель на смоделированное столетие.С: 1976 Ранняя конечно-разностная компьютерная модель ледяного щита, Mahaffy.

Модели комплексной оценки

Энергетика, экономика, землепользование и климат связаны в одну модель, на которой сравнивают пути политики.

Вопрос, на который отвечает: Какое сочетание энергетики и землепользования удерживает потепление ниже заданного предела и какой ценой?

Не учитывает: Сводит всю экономику и климат к нескольким уравнениям, поэтому ответ сильно зависит от выбранной ставки дисконтирования.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; полный запуск занимает от секунд до минут.С: 1992 Модель DICE Нордхауса, первая широко используемая модель климата и экономики.

Региональное уточнение климата

Грубый результат глобальной климатической модели используется, чтобы управлять более детальной региональной моделью для одной страны или горной цепи.

Вопрос, на который отвечает: Что на самом деле означает глобальное потепление для погоды в этой долине?

Не учитывает: Наследует предвзятость той глобальной модели, внутрь которой вложена, только с более высоким разрешением.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно национальный кластер, недели на один региональный прогноз.С: 1989 первые вложенные региональные климатические модели, запущенные на ограниченной области.

Солнечная геоинженерия

Климатические модели запускают с добавленным намеренным вмешательством, например отражающими частицами, впрыснутыми в верхнюю атмосферу, чтобы увидеть, что это изменит.

Вопрос, на который отвечает: Может ли намеренное уменьшение приходящего солнечного света компенсировать потепление, и какие побочные эффекты это даст?

Не учитывает: Ни одно вмешательство такого рода не проводилось в большом масштабе, поэтому каждый результат зависит от того, насколько модель описывает аэрозоли, никогда не наблюдавшиеся при таком применении.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно большая доля национального суперкомпьютера, на месяцы.С: 1992 первые эксперименты с климатической моделью, проверяющие гипотетическое вмешательство вулканического типа.

Модели «мир — Земля»

Климатические модели, связанные с простыми динамическими представлениями о поведении людей, так что выбросы, политика и общественные изменения отвечают на состояние планеты.

Вопрос, на который отвечает: Как социальные переломы и климатические обратные связи взаимодействуют на протяжении столетий?

Не учитывает: Правила поведения — гипотезы, а пространственные климатические детали грубые.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно Модели сниженной сложности, запущенные большими ансамблямиС: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) источник

Глобальные модели с явным разрешением облаков

Модели атмосферы с сеткой настолько мелкой, в несколько километров, что глубокая конвекция явно представлена по всему земному шару.

Вопрос, на который отвечает: Можно ли смоделировать тропические системы облаков напрямую, а не через параметры?

Не учитывает: Расчёты короткие, а турбулентность и микрофизика облаков по-прежнему приближены.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно Недели смоделированного времени на крупнейших машинахС: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) источникВ дереве симуляций: Глобальная модель с разрешением облаков

Суперпараметризация

Небольшая модель с явным разрешением облаков встроена в каждый столбец грубой глобальной модели и заменяет обычную схему конвекции.

Вопрос, на который отвечает: Может ли явная физика облаков улучшить климатическую модель без полной мелкой глобальной сетки?

Не учитывает: Встроенные модели малы и не связаны с соседними колонками.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно Встроенные двумерные модели облаков во много раз увеличивают стоимостьС: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) источник

Атрибуция экстремальных событий

Большие ансамбли расчётов климата с влиянием человека и без него дают шансы конкретной жары, наводнения или шторма в каждом из этих миров.

Вопрос, на который отвечает: Насколько выбросы человека изменили вероятность именно этого события?

Не учитывает: Результаты зависят от того, насколько хорошо модель воспроизводит этот тип события в таком масштабе.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно От сотен до тысяч членов ансамбляС: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) источник

Ансамбли с возмущённой физикой на добровольных вычислениях

Тысячи копий климатической модели, каждая с чуть иными физическими параметрами, работают на добровольно предоставленных домашних компьютерах.

Вопрос, на который отвечает: Насколько широк диапазон потепления, совместимый с неопределённой физикой моделей?

Не учитывает: Структура модели фиксирована, меняются только параметры.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно Десятки тысяч прогонов моделиС: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) источник

Большие ансамбли с разными начальными условиями

Одну климатическую модель запускают десятки раз из слегка разных начальных состояний, чтобы отделить вынужденное изменение от внутренней изменчивости.

Вопрос, на который отвечает: Какая часть регионального тренда — собственный шум климата?

Не учитывает: Она отражает изменчивость внутри одной модели, а не различия между моделями.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно Десятки связанных расчётов на векаС: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) источник

Обученные эмуляторы климата

Нейронная сеть, обученная на результатах климатических моделей, продвигает атмосферу на десятилетия или века вперёд за малую долю стоимости.

Вопрос, на который отвечает: Может ли обученная суррогатная модель быстро воспроизвести климатическую статистику на десятилетия?

Не учитывает: Она наследует предвзятость обучающей модели и может ошибаться в климатах, которых не видела.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно Обучение на архивах моделей, затем дешёвые длинные прогоныС: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) источник

Цифровые двойники системы Земли

Постоянно обновляемые модели планеты с высоким разрешением, питаемые наблюдениями и созданные для ответов пользователям на вопросы «что, если».

Вопрос, на который отвечает: Что случилось бы с регионом, если бы произошло данное решение или событие?

Не учитывает: Двойник настолько верен, насколько верны его модели и данные, а интерактивные сценарии ограничены.

Работает на: около 10¹⁹ FLOPS приблизительно Глобальные модели километрового масштаба плюс ассимиляцияС: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) источник

Радиационно-конвективная климатическая модель

Один столбец атмосферы в равновесии между излучением и конвекцией показывает, насколько потеплеет планета при изменении углекислого газа или влажности.

Вопрос, на который отвечает: Насколько нагревается столб воздуха, когда его парниковых газов становится вдвое больше?

Не учитывает: В ней нет ветров, облаков и океанского переноса, поэтому она даёт эталонное потепление, а не прогноз.

Работает на: около 10⁴ FLOPS приблизительно одномерный столбец, быстро считается на ноутбуке.С: 1967 Тепловое равновесие атмосферы при заданном распределении относительной влажности, Manabe и Wetherald. источник

Климатическая модель энергетического баланса

Земля сведена к широтным поясам, которые поглощают и излучают тепло и обмениваются им переносом; этого хватает, чтобы показать обратную связь льда и альбедо и перескок между климатическими состояниями.

Вопрос, на который отвечает: Может ли неудержимое разрастание ледяного покрова заморозить всю планету?

Не учитывает: Картина игнорирует динамику и погоду, поэтому она информирует, но не даёт прогноза.

Работает на: около 10³ FLOPS приблизительно несколько уравнений; секунды на любом компьютере.С: 1969 Глобальная климатическая модель на основе энергетического баланса системы Земля—атмосфера, Sellers. источник

Динамическое глобальное моделирование растительности и углеродного цикла

Растения, почвы и их обмен углеродом симулируют по всему земному шару, а типы растительности соперничают и сдвигаются, пока меняется климат.

Вопрос, на который отвечает: Сколько углерода суша поглотит или выбросит при потеплении климата?

Не учитывает: Типы растений сведены к нескольким функциональным классам, а обратные связи по питательным веществам и возмущениям грубы.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно многовековые глобальные расчёты, часто на грубой сетке.С: 1996 Интегрированная модель биосферы Фоли с коллегами для процессов на поверхности суши, баланса углерода на суше и динамики растительности. источник

Совместная симуляция углеродного цикла и климата

Климатическая модель с углеродным циклом суши и океана внутри: потепление может изменить, сколько углерода поглощает Земля, и усилить само себя.

Вопрос, на который отвечает: Превратит ли потепление сушу и океан из поглотителей углерода в источники?

Не учитывает: Реакция углерода суши сильно различается между моделями из-за допущений о почве и растительности.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно многовековые связанные климатические расчёты на суперкомпьютере.С: 2000 Ускорение глобального потепления из-за обратных связей углеродного цикла в связанной климатической модели Кокса, Беттса, Джонса, Сполла и Тоттерделла. источник

Моделирование экосистем и биогеохимии океана

Питательные вещества, планктон и детрит переносятся и циркулируют в океане, чтобы предсказать продуктивность и углерод, уносимый в глубины.

Вопрос, на который отвечает: Сколько углерода жизнь в океане уносит в глубины?

Не учитывает: Группы планктона — это несколько укрупнённых отсеков с подогнанными скоростями.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно биогеохимический модуль внутри общей модели циркуляции океана.С: 1990 Модель динамики планктона в перемешанном слое океана на основе азота Фашама, Дакло и Маккелви. источник

Обученная параметризация подсеточных процессов

Нейронная сеть, обученная на модели с явным разрешением облаков, заменяет написанные вручную правила для гроз и облаков, слишком мелких для грубой глобальной климатической модели.

Вопрос, на который отвечает: Может ли грубая климатическая модель правильно воспроизвести мелкие облака, если научится им у более детальной?

Не учитывает: Сеть может скатываться в неустойчивые или нефизичные состояния, когда климат выходит за условия, на которых её обучали.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно обучение на небольшом наборе точных симуляций, затем дешёвое использование внутри климатической модели.С: 2018 Представление подсеточных процессов в климатической модели с помощью глубокого обучения, Rasp, Pritchard и Gentine. источник

Численный прогноз погоды

Наблюдаемую сегодня атмосферу продвигают вперёд на часы или дни, обычно как ансамбль чуть различающихся начальных точек.

Вопрос, на который отвечает: Будет ли здесь дождь в четверг и насколько мы уверены?

Не учитывает: Точность прогноза резко падает после примерно десяти дней, как бы мелка ни была сетка.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно суперкомпьютер национального метеорологического центра, несколько процентов его мощности на часы.С: 1950 Первый численный прогноз Чарни, Фьёртофта и фон Неймана.В дереве симуляций: Первый компьютерный прогноз

Погода на машинном обучении

Нейронные сети, обученные на десятилетиях прошлой погоды, дают прогнозы за секунды, а не за часы.

Вопрос, на который отвечает: Может ли обученный эмулятор прогнозировать не хуже физики, на которой его учили?

Не учитывает: Она учит закономерности прошлой погоды, поэтому плохо справляется с экстремальными событиями, каких она ещё не видела.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно одна мощная видеокарта; прогнозы за секунды, а не за часы.С: 2022 первые обученные модели погоды, сравнявшиеся по точности прогноза с физическими.

Тропические циклоны

Ураганы и тайфуны с высоким разрешением: их траектории, сила и осадки.

Вопрос, на который отвечает: Где шторм выйдет на берег и какой будет его сила?

Не учитывает: Глаз и стенка глаза урагана по-прежнему меньше, чем большинство моделей способно как следует разрешить.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно кластер национального центра прогнозов, запускается для каждого действующего шторма.С: 1969 Ранняя численная модель развития урагана, Ooyama.

Качество воздуха и рассеивание

Загрязнители, дым и вулканический пепел переносятся ветром, смешиваются и химически преобразуются.

Вопрос, на который отвечает: Куда идёт шлейф и безопасно ли дышать этим воздухом или лететь сквозь него?

Не учитывает: Кадастры выбросов, входные данные, от которых зависит весь прогноз, часто устарели или оценены.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на событие загрязнения.С: 1970 первые компьютерные гауссовы модели шлейфа для загрязнения из дымовых труб.

Сезонное прогнозирование

Ансамбль прогонов модели на климатические сроки, запущенных от сегодняшнего состояния океана и атмосферы, нацелен на вероятности для целого сезона, а не для какого-либо одного дня.

Вопрос, на который отвечает: Будет ли эта зима теплее или влажнее обычной?

Не учитывает: Не может сказать, какая погода будет в конкретный день, а лишь то, как смещены шансы.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно суперкомпьютер национального центра прогнозов, ансамбль прогонов в каждый сезон.С: 1986 первые динамические сезонные прогнозы на моделях с океаном.

Сильные конвективные бури

Одна гроза или суперячейка, разрешённая до масштаба её восходящего и нисходящего потоков, чтобы увидеть, раскрутится ли она в торнадо или сбросит крупный град.

Вопрос, на который отвечает: Даст ли этот шторм торнадо и где?

Не учитывает: Нужна сетка достаточно мелкая, чтобы увидеть торнадо, а это слишком дорого считать повсюду, где может возникнуть шторм.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно национальный кластер, часы на один шторм с очень высоким разрешением.С: 1975 первые трёхмерные компьютерные модели одной грозы.

Генеративные ансамблевые прогнозы погоды

Диффузионная модель выбирает множество правдоподобных вариантов погоды на ближайшие две недели и даёт вероятности для каждой величины в глобальном масштабе.

Вопрос, на который отвечает: Может ли обученная модель дёшево давать калиброванную неопределённость прогноза?

Не учитывает: Она привязана к данным реанализа и не даёт физических гарантий для редких экстремумов.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно Обучение на десятилетиях реанализа, минуты на один член ансамбляС: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) источник

Ансамблевый прогноз погоды

Прогноз запускают много раз из слегка различающихся начальных состояний, и разброс показывает, насколько погода неопределённа и насколько вероятен каждый исход.

Вопрос, на который отвечает: Насколько можно доверять прогнозу погоды и что могло бы случиться вместо этого?

Не учитывает: Возмущения начального состояния лишь отчасти отражают ошибку модели, поэтому разброс часто слишком узок.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно десятки глобальных прогнозов каждый день, каждый — большой расчёт.С: 1974 Теоретическая точность прогнозов Монте-Карло, Leith. источник

Реанализ атмосферы

Неизменную современную модель прогноза прогоняют по десятилетиям прошлых наблюдений и сводят их в цельную запись атмосферы без пропусков.

Вопрос, на который отвечает: Каковы были ветры, температуры и давление во всех местах и в любое время в прошлом?

Не учитывает: Изменения в системе наблюдений со временем оставляют в записи искусственные тренды.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно десятилетия циклов ассимиляции на суперкомпьютере.С: 1996 Проект реанализа NCEP/NCAR за 40 лет, Kalnay и коллеги. источник

Моделирование крупных вихрей в пограничном слое атмосферы

Нижний километр атмосферы, где турбулентные вихри перемешивают тепло, влагу и загрязнения: крупные вихри разрешаются, а мелкие моделируются.

Вопрос, на который отвечает: Как турбулентные вихри переносят тепло и влагу вверх от земли?

Не учитывает: Обмен у поверхности и подсеточное перемешивание параметризованы, что ограничивает точность у земли.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно несколько километров области с разрешением в десятки метров.С: 1972 Численное исследование нейтральных и неустойчивых планетарных пограничных слоёв Дирдорфа. источник

Глобальная симуляция с явным разрешением штормов

Модель атмосферы всей планеты с разрешением в несколько километров, так что скопления гроз и тропические штормы появляются без параметризации конвекции.

Вопрос, на который отвечает: Что делает атмосфера, когда штормы разрешаются явно, а не заменяются приближением?

Не учитывает: Микрофизика облаков и турбулентность ниже нескольких километров остаются параметризованными, а расчёты слишком коротки, чтобы изучать климат.

Работает на: около 10¹⁹ FLOPS приблизительно недели на крупнейших машинах на несколько смоделированных месяцев.С: 2008 Негидростатическая икосаэдрическая атмосферная модель для глобальных симуляций с разрешением облаков, Satoh и коллеги. источник

Выброс и перенос минеральной пыли

Ветер поднимает пустынную пыль, несёт через моря и осаждает, чтобы узнать её влияние на излучение, питательные вещества океана и качество воздуха.

Вопрос, на который отвечает: Сколько пустынной пыли попадает в воздух и куда она девается?

Не учитывает: Пороги выброса зависят от свойств почвы и поверхности, которые плохо нанесены на карты.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно модуль пыли внутри модели атмосферы, на годы.С: 1994 Модель минеральной пыли в атмосфере Тегена и Фунга: источники, перенос и оптическая толщина. источник

Моделирование энергетического баланса городской поверхности

Улицы, крыши и стены рассматривают как каньон, обменивающийся с воздухом теплом, влагой и импульсом, чтобы предсказать городские острова тепла и потребность зданий в охлаждении.

Вопрос, на который отвечает: Почему город теплее окружающей сельской местности?

Не учитывает: Города сведены к идеализированным каньонам, поэтому детали зданий и тепло от транспорта приближены.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно схема городского каньона внутри атмосферной модели над мегаполисом.С: 2000 Физическая схема городского энергобаланса в атмосферных моделях, Masson. источник

Моделирование термосферы и ионосферы

Верхняя атмосфера на высоте от 100 до 600 километров, нагретая светом и частицами, с ветрами и электрическими токами, меняющими торможение спутников и радиосигналы.

Вопрос, на который отвечает: Как солнечная активность меняет верхнюю атмосферу и распространение радиоволн?

Не учитывает: Нижняя граница и приходящая сверху энергия задаются по скудным данным.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно связанная симуляция верхней атмосферы на дни космической погоды.С: 1988 Связанная общая модель циркуляции термосферы и ионосферы, Roble, Ridley, Richmond и Dickinson. источник

Циркуляция океана

Течения, вихри, тепло и соль движутся по мировому океану.

Вопрос, на который отвечает: Могут ли замедлиться великие опрокидывающиеся течения Атлантики?

Не учитывает: Вихри, перемешивающие тепло и углерод, в основном мельче сетки, поэтому их действие приходится параметризовать.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно большой кластер, недели на многодесятилетний запуск.С: 1969 Первая компьютерная модель глобальной циркуляции океана Брайана.

Цунами и штормовые нагоны

Волны, поднятые землетрясениями или штормами, пересекают океан и накатывают на берег.

Вопрос, на который отвечает: Как высоко поднимется вода и какие улицы затопит первыми?

Не учитывает: Береговая защита и дренаж обычно упрощены намного грубее, чем разрешение самого заплёска.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция; минуты на прогон прибрежного предупреждения.С: 1969 Первые численные эксперименты Аиды по моделированию цунами.

Реки и наводнения

Дождь падает на водосбор, впитывается или стекает в ручьи, реки и поймы.

Вопрос, на который отвечает: Какое наводнение вызовет этот шторм и где?

Не учитывает: Почва и землепользование усредняются по водосбору, и скрытым остаётся то единственное поле или овраг, которые на самом деле затопляет.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; расчёт для водосбора занимает минуты.С: 1966 Стэнфордская модель «осадки — сток» Кроуфорда и Линсли.

Грунтовые воды

Вода медленно движется сквозь почву и породу в водоносных горизонтах.

Вопрос, на который отвечает: Как долго можно качать воду из этого водоносного горизонта, пока скважины не высохнут?

Не учитывает: Свойства горных пород и почвы под землёй картируют по скважинам, расположенным в сотнях метров друг от друга, поэтому большая часть водоносного горизонта оценивается лишь косвенно.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук или рабочая станция; от минут до часов на водоносный горизонт.С: 1968 Ранняя конечно-разностная модель водоносного горизонта, Pinder и Bredehoeft.

Морской лёд

Плавающий лёд на поверхности океана трескается, торосится, дрейфует и тает под ветром, волнами и теплом.

Вопрос, на который отвечает: Какая часть Северного Ледовитого океана будет по-прежнему покрыта льдом к концу лета?

Не учитывает: Неоднородное поле растрескавшихся торосистых льдин рассматривается как гладкий сплошной лист.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский или национальный кластер, недели в связке с расчётом океана.С: 1969 первые компьютерные модели дрейфующего арктического морского льда.

Прогноз океанских волн

Ветер над открытой водой порождает и направляет зыбь и рябь; это отслеживают, чтобы прогнозировать высоту и направление волн для судов и побережий.

Вопрос, на который отвечает: Какое завтра будет здесь волнение на море?

Не учитывает: Плохо работает на самых крутых, обрушивающихся гребнях, а они важнее всего для безопасности на море.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно кластер национального центра прогнозов, запускается несколько раз в сутки.С: 1956 первые численные прогнозы волн по методам предсказания зыби военного времени.

Моделирование затопления

Вода из реки или шторма растекается по пойме на сетке рельефа, чтобы нанести на карту глубину и протяжённость для страхования и планирования.

Вопрос, на который отвечает: Какие улицы и поля уходят под воду при наводнении?

Не учитывает: Ошибку определяют точность рельефа и входной гидрограф, а не численные методы.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно двумерные модели мелкой воды или растровые модели речного бассейна.С: 2000 Простая растровая модель Бейтса и Де Ру для симуляции затопления. источник

Моделирование циркуляции в прибрежных зонах и устьях

Приливы, реки и ветры перемещают воду, соль и осадки по заливам и устьям на сетке, следующей за рельефом.

Вопрос, на который отвечает: Как приливы и реки смешивают воду вдоль побережья?

Не учитывает: Мелкомасштабное перемешивание и ошибки в данных о рельефе дна ограничивают точность у берега.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно трёхмерная региональная модель с прогонами на год.С: 1987 Описание трёхмерной модели циркуляции прибрежного океана Блумберга и Меллора. источник

Морской мусор и лагранжево моделирование дрейфа

Виртуальные частицы, переносимые смоделированными или наблюдаемыми океанскими течениями, показывают, куда уходят плавающий пластик, нефть или личинки.

Вопрос, на который отвечает: Куда попадает плавающий пластик с побережья?

Не учитывает: Парусность, волновой дрейф и погружение или дробление частиц известны плохо.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно миллионы частиц, перенесённых течениями океана за год.С: 2012 Происхождение, динамика и эволюция океанских мусорных пятен по наблюдаемым поверхностным дрифтерам, ван Себиль, Ингланд и Фройланд. источник

Симуляция нефтяных и газовых пластов

Нефть, газ и вода текут через поры породы-коллектора к скважинам, чтобы спланировать бурение и предсказать, сколько можно добыть.

Вопрос, на который отвечает: Сколько нефти даст месторождение и куда ставить скважины?

Не учитывает: Свойства породы между скважинами выводят по скудным данным, поэтому неопределённость обычно больше, чем у численных методов.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно многофазное течение в геологической модели из миллионов ячеек.С: 1955 Численное решение параболических и эллиптических дифференциальных уравнений, Peaceman и Rachford, основа ранних симуляторов пластов. источник

Гляциоизостатическая корректировка и отпечатки уровня моря

Земная кора поднимается, когда тают ледниковые щиты, а океаны перераспределяются; так предсказывают региональное изменение уровня моря и поле тяжести.

Вопрос, на который отвечает: Почему уровень моря падает в одних местах при таянии льда и растёт в других?

Не учитывает: Вязкость мантии под плитами известна плохо и меняется от региона к региону.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно вязкоупругие модели Земли, решаемые на сфере.С: 1976 Расчёт послеледникового уровня моря Фаррелла и Кларка. источник

Симуляция геологического хранения углекислого газа

Закачанный углекислый газ растекается, поднимается и растворяется в солёной породе. Улавливание покрышкой, капиллярностью и минеральными реакциями прослеживают на протяжении веков.

Вопрос, на который отвечает: Останется ли газ под землёй и куда он уходит?

Не учитывает: Порода под скважиной известна лишь по нескольким другим скважинам и съёмкам, поэтому проницаемость и разломы угадываются с большой неопределённостью.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно недели на кластере для модели масштаба бассейна на тысячи лет.С: 2002 Сопоставление численных кодов для геологического захоронения CO2 в Лоуренсовской лаборатории Беркли. источник

Реактивный перенос под поверхностью

Вода переносит химические вещества сквозь породу или почву, пока минералы растворяются, выпадают в осадок и обмениваются ионами; это решают вместе с течением.

Вопрос, на который отвечает: Как химия и «водопровод» водоносного горизонта или хранилища меняют друг друга со временем?

Не учитывает: Скорости реакций, измеренные в лаборатории, применяют к породе, площадь реакционной поверхности которой в земле неизвестна.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно дни на кластере для трёхмерного полевого участка.С: 1985 Континуальная модель связанных химических реакций и массопереноса в гидротермальных системах, Lichtner. источник

Мантийная конвекция и тектоника плит

Горячая порода медленно течёт внутри планеты сотни миллионов лет и несёт на себе плиты.

Вопрос, на который отвечает: Почему у Земли есть тектоника плит, а у соседних планет нет?

Не учитывает: Одновременно прогоняет миллионы смоделированных лет, поэтому не может заодно показать отдельное землетрясение.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, недели на один долгий расчёт.С: 1974 Первая численная модель мантийной конвекции, McKenzie, Roberts и Weiss.

Землетрясения и сейсмические волны

Разломы рвутся, а волны расходятся по коре и трясут землю.

Вопрос, на который отвечает: Насколько сильно затрясёт этот город, если сдвинется тот разлом?

Не учитывает: Начальная точка разрыва и точная шероховатость разлома по-прежнему предполагаются, а не известны заранее.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно национальный или университетский кластер, дни на большой разрыв разлома.С: 1968 Ранняя конечно-разностная модель сейсмических волн Альтермана и Карала.

Извержения вулканов и потоки лавы

Магма поднимается, извергается и стекает вниз как лава, пепел или быстрые горячие облака.

Вопрос, на который отвечает: Какие деревни лежат на пути, если вулкан извергнется?

Не учитывает: Не может предсказать, когда начнётся извержение, а лишь то, что произойдёт, когда оно уже началось.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на сценарий.С: 1980 первые компьютерные модели лавы, стекающей вниз от жерла.

Эволюция ландшафта

Реки прорезают долины, склоны ползут, а берега размываются на протяжении тысяч и миллионов лет.

Вопрос, на который отвечает: Откуда у этого ландшафта такая форма?

Не учитывает: Сжимает миллионы лет в один расчёт, поэтому любая отдельная буря или камнепад сглаживается.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция; дни на ландшафт за миллион лет.С: 1991 Ранняя вычислительная модель эволюции ландшафта Вилгуза с коллегами.

Распространение лесных пожаров

Огонь движется по топливу, рельефу и ветру клетка за клеткой.

Вопрос, на который отвечает: Где будет фронт пожара через шесть часов?

Не учитывает: Ветер, главный фактор поведения настоящего пожара, обычно упрощают до постоянного среднего.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция или ноутбук; минуты на распространяющийся фронт пожара.С: 1972 Уравнения распространения пожара Rothermel, вскоре переведённые на компьютер для прогнозов.

Запустить интерактивную модель

Оползни и селевые потоки

Склон из почвы, камня или грязи обрушивается и движется вниз; модель следит, как он ускоряется, растекается и погребает местность внизу.

Вопрос, на который отвечает: Как далеко и как быстро поедет этот склон после обрушения?

Не учитывает: Момент, когда склон действительно обрушивается, по-прежнему труднее предсказать, чем то, что происходит потом.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на сценарий склона.С: 1980 первые компьютерные модели пробега обрушивающегося склона.

Сейсмическая опасность на основе физики

Симуляции разрыва при землетрясениях и распространения волн заменяют эмпирические правила затухания, чтобы получить сотрясения на каждом участке.

Вопрос, на который отвечает: Насколько сильно здесь затрясёт землю при каждом возможном разрыве?

Не учитывает: Нужна известная скоростная модель, а высокие частоты трудно разрешить.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно Много сценариев разрыва, каждый из них трёхмерная волновая симуляцияС: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) источник

Симуляция геодинамо

Конвекция жидкого железа в ядре Земли создаёт и поддерживает магнитное поле, включая его случайные переполюсовки.

Вопрос, на который отвечает: Как ядро Земли создаёт магнитное поле и почему оно переворачивается?

Не учитывает: Значения вязкости и проводимости далеки от настоящих, поэтому течение намного глаже, чем внутри Земли.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно месяцы на суперкомпьютере для динамо, которое всё равно работает далеко от условий, подобных земным.С: 1995 Трёхмерная согласованная симуляция переполюсовки геомагнитного поля Глатцмайера и Робертса. источник

Сейсмическая инверсия полного волнового поля

Сейсмические волны многократно прогоняют через пробную модель Земли, которую подправляют, пока синтетические и записанные волны не совпадут. Так получают изображение строения пород.

Вопрос, на который отвечает: Как выглядит порода под нами глазами волн, которые её пересекли?

Не учитывает: Инверсия может зацепиться за неверные решения, если начальная модель не близка.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно тысячи моделирований волн внутри цикла оптимизации.С: 1984 Инверсия данных сейсмического отражения в акустическом приближении, Тарантолы. источник

Спектрально-элементное распространение сейсмических волн

Волны землетрясения распространяются через трёхмерную модель коры или всей Земли; элементы высокого порядка следуют рельефу и слоям.

Вопрос, на который отвечает: Как волны идут по настоящей, неоднородной Земле?

Не учитывает: Модели Земли неопределённы в мелкомасштабной структуре и затухании, поэтому короткие периоды менее надёжны.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно прогоны всей Земли с разрешением периодов в несколько секунд.С: 1998 Метод спектральных элементов для сейсмического отклика двух- и трёхмерных структур, Komatitsch и Vilotte. источник

Симуляция цикла землетрясений

Разлом медленно нагружается движением плит; трение то заедает, то срывается, и модель проходит много циклов тихого накопления и внезапного разрыва.

Вопрос, на который отвечает: Как землетрясения повторяются на разломе на протяжении веков?

Не учитывает: Закон трения получен в лаборатории и экстраполирован на глубины и скорости, которых никогда не измеряли.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно циклы разломов по закону скорости и состояния на тысячи лет.С: 1986 Неустойчивость земной коры при землетрясениях в связи с зависимостью свойств фрикционного скольжения от глубины, Цзе и Райс. источник

Стохастические модели каталогов землетрясений

Синтетические последовательности землетрясений создают из статистической модели, где каждый толчок повышает шанс афтершоков, чтобы прогнозировать кластеризацию и опасность.

Вопрос, на который отвечает: Насколько вероятны афтершоки после сильного землетрясения?

Не учитывает: Модель передаёт статистическую кластеризацию, но в ней нет физики напряжения разломов.

Работает на: около 10⁶ FLOPS приблизительно стохастические каталоги обходятся дёшево, а длинный ансамбль считается на рабочей станции.С: 1988 Статистические модели возникновения землетрясений и анализ остатков для точечных процессов, Ogata. источник

Модель поверхности суши

Обмен водой, теплом и углекислым газом между почвой, растениями и воздухом записывают как поверхностный компонент для моделей атмосферы и климата.

Вопрос, на который отвечает: Как растения и почва управляют теплом и водой, идущими между землёй и воздухом?

Не учитывает: Растительность описывается несколькими параметрами на ячейку, а движение воды в почве сильно упрощено.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно одномерный столбец на каждую ячейку сетки внутри климатических моделей.С: 1986 Простая модель биосферы для использования внутри моделей общей циркуляции, Sellers, Mintz, Sud и Dalcher. источник

Связанные модели огня и атмосферы

Фронт пожара и создаваемый им ветер решаются вместе: жар огня втягивает воздух, меняет течение, а оно в свою очередь меняет, как распространяется огонь и как он разбрасывает искры и дым.

Вопрос, на который отвечает: Как пожар меняет ветер, который его гонит?

Не учитывает: Горение и топливо представлены простыми законами скоростей, поэтому экстремальное поведение, например верховые пожары и перенос искр, схватывается лишь приблизительно.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно дни на кластере для одного большого пожара с разрешением в десятки метров.С: 1996 Модель связи «атмосфера — пожар» Кларка, Дженкинса и Коэн для динамики линии огня. источник