Trái Đất và khí hậu
Thời tiết, khí hậu, đại dương, băng, động đất, lũ lụt và hỏa hoạn: hành tinh như một tập hợp các phương trình ghép nối.
Hành tinh là một hệ ghép gồm khí quyển, đại dương, băng, đá và sinh quyển. Các mô phỏng này rời rạc hóa nó thành các ô lưới và tích phân tiến theo thời gian. Dự báo thời tiết là cách dùng quen thuộc nhất.
Mô hình hệ Trái Đất
Khí quyển, đại dương, băng biển, đất liền và chu trình carbon được ghép trên một lưới toàn cầu và chạy qua nhiều thế kỷ.
Câu hỏi nó trả lời: Hành tinh nóng lên bao nhiêu dưới một lộ trình phát thải nhất định?
Bỏ qua: Mây vẫn được biểu diễn bằng tham số hóa, nguồn bất đồng lớn nhất giữa các mô hình.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược một phần lớn của một siêu máy tính quốc gia, trong nhiều tháng.Từ: 1969 Mô hình khí hậu kết hợp đại dương-khí quyển đầu tiên của Manabe và Bryan.Trong cây mô phỏng: Đại dương và khí quyển ghép đôi
Cổ khí hậu
Cùng các mô hình đó chạy qua các kỷ băng hà và thời gian sâu, với các lục địa, quỹ đạo và khí quyển khác nhau.
Câu hỏi nó trả lời: Điều gì đã khởi phát các kỷ băng hà, và quá khứ cho biết gì về độ nhạy của khí hậu?
Bỏ qua: Các đường bờ biển, băng và thực vật cổ xưa được tái dựng từ bằng chứng thưa thớt, rồi được coi là đầu vào đã biết.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược tương tự một lần chạy khí hậu hiện đại, một phần siêu máy tính trong nhiều tháng.Từ: 1977 Mô phỏng GCM đầu tiên của Manabe và Hahn về khí hậu kỷ băng hà.
Các tảng băng và mực nước biển
Sông băng và tảng băng chảy, tan và đổ xuống biển.
Câu hỏi nó trả lời: Các tảng băng có thể làm mực nước biển dâng nhanh đến mức nào trong thế kỷ này?
Bỏ qua: Vật lý của việc băng đột ngột nứt và trượt vẫn chưa được nắm bắt tốt.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài ngày đến vài tuần cho mỗi thế kỷ mô phỏng.Từ: 1976 Mô hình máy tính sai phân hữu hạn thời kỳ đầu của Mahaffy cho một tảng băng.
Mô hình đánh giá tích hợp
Năng lượng, kinh tế, sử dụng đất và khí hậu được nối trong một mô hình, dùng để so sánh các lộ trình chính sách.
Câu hỏi nó trả lời: Hỗn hợp năng lượng và sử dụng đất nào giữ mức nóng lên dưới một giới hạn cho trước, và với chi phí bao nhiêu?
Bỏ qua: Rút cả nền kinh tế và khí hậu thành vài phương trình, nên đáp án phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ chiết khấu được chọn.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược một máy tính xách tay; một lần chạy đầy đủ mất vài giây đến vài phút.Từ: 1992 Mô hình DICE của Nordhaus, mô hình khí hậu-kinh tế đầu tiên được dùng rộng rãi.
Hạ quy mô khí hậu khu vực
Đầu ra thô của một mô hình khí hậu toàn cầu được dùng để điều khiển một mô hình khu vực mịn hơn trên một quốc gia hay một dãy núi.
Câu hỏi nó trả lời: Nóng lên toàn cầu thật sự có nghĩa gì với thời tiết ở thung lũng này?
Bỏ qua: Thừa hưởng thiên kiến của mô hình toàn cầu nào mà nó được lồng vào, chỉ ở độ phân giải cao hơn.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy quốc gia, vài tuần cho một dự phóng khu vực.Từ: 1989 các mô hình khí hậu khu vực lồng nhau đời đầu chạy trên một vùng giới hạn.
Địa kỹ thuật khí hậu bằng ánh sáng mặt trời
Các mô hình khí hậu chạy với một can thiệp có chủ ý được thêm vào, như phun các hạt phản xạ vào tầng khí quyển trên, để xem nó sẽ thay đổi điều gì.
Câu hỏi nó trả lời: Liệu cố ý giảm ánh nắng tới có thể bù lại sự ấm lên không, và nó sẽ có tác dụng phụ gì?
Bỏ qua: Chưa có can thiệp nào kiểu này được thực hiện ở quy mô lớn, nên mọi kết quả đều phụ thuộc vào việc mô hình biểu diễn tốt đến đâu các aerosol chưa từng được quan sát khi triển khai như vậy.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược một phần lớn của một siêu máy tính quốc gia, trong nhiều tháng.Từ: 1992 các thí nghiệm mô hình khí hậu đời đầu thử một can thiệp giả định kiểu núi lửa.
Mô hình Trái Đất-thế giới
Các mô hình khí hậu được ghép với những biểu diễn động đơn giản về hành vi con người, để phát thải, chính sách và thay đổi xã hội phản ứng với trạng thái hành tinh.
Câu hỏi nó trả lời: Các điểm bùng phát xã hội và phản hồi khí hậu tương tác với nhau thế nào qua nhiều thế kỷ?
Bỏ qua: Các quy tắc hành vi là giả thuyết, và chi tiết khí hậu theo không gian còn thô.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược Các mô hình độ phức tạp rút gọn chạy thành tập hợp lớnTừ: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) nguồn
Mô hình phân giải mây toàn cầu
Các mô hình khí quyển có lưới đủ mịn, vài km, để biểu diễn tường minh đối lưu sâu trên toàn cầu.
Câu hỏi nó trả lời: Có thể mô phỏng trực tiếp các hệ mây nhiệt đới thay vì qua tham số không?
Bỏ qua: Các lần chạy ngắn, và nhiễu loạn cùng vi vật lý mây vẫn được xấp xỉ.
Chạy trên: khoảng 1018 FLOPS sơ lược Hàng tuần thời gian mô phỏng trên các máy lớn nhấtTừ: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) nguồnTrong cây mô phỏng: Mô hình phân giải đám mây toàn cầu
Siêu tham số hóa
Một mô hình phân giải mây nhỏ được nhúng vào trong từng cột của một mô hình toàn cầu thô để thay cho sơ đồ đối lưu thông thường.
Câu hỏi nó trả lời: Vật lý mây tường minh có thể cải thiện một mô hình khí hậu mà không cần một lưới toàn cầu mịn đầy đủ không?
Bỏ qua: Các mô hình nhúng nhỏ và không trao đổi với các cột lân cận.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược Các mô hình mây 2D nhúng nhân chi phí lên nhiều lầnTừ: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) nguồn
Quy kết sự kiện cực đoan
Các tập hợp lớn những lần chạy khí hậu có và không có ảnh hưởng của con người cho biết xác suất của một đợt nắng nóng, lũ hay bão cụ thể trong mỗi thế giới.
Câu hỏi nó trả lời: Phát thải của con người đã thay đổi xác suất của sự kiện cụ thể này bao nhiêu?
Bỏ qua: Kết quả phụ thuộc vào việc mô hình tái tạo loại sự kiện đó ở quy mô ấy tốt đến đâu.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược Hàng trăm đến hàng nghìn thành viên tập hợpTừ: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) nguồn
Các tập hợp vật lý nhiễu loạn do tình nguyện viên tính
Hàng nghìn bản sao của một mô hình khí hậu, mỗi bản có các tham số vật lý hơi khác nhau, chạy trên máy tính gia đình được quyên góp.
Câu hỏi nó trả lời: Dải ấm lên phù hợp với vật lý mô hình bất định rộng đến mức nào?
Bỏ qua: Cấu trúc mô hình là cố định; chỉ có tham số được thay đổi.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược Hàng chục nghìn lần chạy mô hìnhTừ: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) nguồn
Tập hợp lớn theo điều kiện ban đầu
Một mô hình khí hậu đơn lẻ được chạy hàng chục lần từ những điểm xuất phát hơi khác nhau để tách biến đổi do cưỡng bức khỏi biến thiên nội tại.
Câu hỏi nó trả lời: Phần nào của một xu hướng khu vực là nhiễu riêng của khí hậu?
Bỏ qua: Nó nắm bắt biến thiên trong một mô hình, chứ không phải khác biệt giữa các mô hình.
Chạy trên: khoảng 1018 FLOPS sơ lược Hàng chục lần chạy ghép dài hàng thế kỷTừ: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) nguồn
Bộ mô phỏng khí hậu học máy
Một mạng nơ-ron huấn luyện trên đầu ra của mô hình khí hậu đẩy khí quyển tiến lên hàng thập kỷ hay hàng thế kỷ với một phần rất nhỏ chi phí.
Câu hỏi nó trả lời: Một mô hình thay thế đã huấn luyện có thể tái tạo nhanh thống kê khí hậu nhiều thập kỷ không?
Bỏ qua: Nó thừa hưởng thiên kiến của mô hình huấn luyện và có thể thất bại ngoài các khí hậu nó đã thấy.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược Huấn luyện trên kho lưu trữ mô hình, rồi chạy dài với chi phí thấpTừ: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) nguồn
Song sinh số của hệ Trái Đất
Các mô hình độ phân giải cao của hành tinh được cập nhật liên tục, nạp quan sát và được xây để trả lời các câu hỏi "nếu thì" cho người dùng.
Câu hỏi nó trả lời: Điều gì sẽ xảy ra với một vùng nếu một quyết định hay sự kiện nhất định xảy ra?
Bỏ qua: Bản sao số chỉ trung thực bằng các mô hình và dữ liệu của nó, và các kịch bản tương tác bị hạn chế.
Chạy trên: khoảng 1019 FLOPS sơ lược Mô hình toàn cầu cỡ km cộng với đồng hóa dữ liệuTừ: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) nguồn
Mô hình khí hậu bức xạ-đối lưu
Một cột khí quyển đơn lẻ ở trạng thái cân bằng giữa bức xạ và đối lưu, dùng để tìm xem một hành tinh nóng lên bao nhiêu khi carbon dioxide hay độ ẩm thay đổi.
Câu hỏi nó trả lời: Một cột không khí ấm lên bao nhiêu khi khí nhà kính của nó tăng gấp đôi?
Bỏ qua: Nó không có gió, mây hay vận chuyển của đại dương, nên cho một mức ấm lên tham chiếu chứ không phải dự báo.
Chạy trên: khoảng 104 FLOPS sơ lược một cột một chiều, chạy nhanh trên máy tính xách tay.Từ: 1967 Cân bằng nhiệt của khí quyển với một phân bố độ ẩm tương đối cho trước của Manabe và Wetherald. nguồn
Mô hình khí hậu cân bằng năng lượng
Trái Đất được rút gọn thành các dải vĩ độ hấp thụ và phát nhiệt rồi trao đổi nhiệt bằng vận chuyển, đủ để cho thấy phản hồi băng - albedo và sự bật chuyển giữa các trạng thái khí hậu.
Câu hỏi nó trả lời: Liệu một vòng xoáy mất kiểm soát của băng phủ có thể đóng băng cả hành tinh không?
Bỏ qua: Bức tranh bỏ qua động lực học và thời tiết, nên nó cung cấp thông tin chứ không đưa ra dự báo.
Chạy trên: khoảng 103 FLOPS sơ lược một số ít phương trình; vài giây trên bất kỳ máy tính nào.Từ: 1969 Mô hình khí hậu toàn cầu của Sellers dựa trên cân bằng năng lượng của hệ Trái Đất-khí quyển. nguồn
Mô hình hóa thực vật toàn cầu động và chu trình carbon
Thực vật, đất và trao đổi carbon của chúng được mô phỏng trên toàn cầu, với các loại thực bì cạnh tranh và dịch chuyển khi khí hậu thay đổi.
Câu hỏi nó trả lời: Đất liền sẽ hấp thụ hay thải ra bao nhiêu carbon khi khí hậu ấm lên?
Bỏ qua: Các loại thực vật được gộp thành vài lớp chức năng, và phản hồi dinh dưỡng cùng xáo trộn còn thô.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược các lần chạy toàn cầu nhiều thế kỷ, thường trên lưới thô.Từ: 1996 Mô hình sinh quyển tích hợp của Foley và các đồng nghiệp về các quá trình bề mặt đất, cân bằng carbon trên cạn và động lực thực vật. nguồn
Mô phỏng ghép chu trình carbon và khí hậu
Một mô hình khí hậu có chu trình carbon trên đất liền và đại dương bên trong, để sự ấm lên có thể thay đổi lượng carbon Trái Đất hấp thụ và tự tác động ngược lại.
Câu hỏi nó trả lời: Sự nóng lên có biến đất liền và đại dương từ nơi hấp thụ cacbon thành nguồn phát thải không?
Bỏ qua: Phản ứng của carbon trên đất liền khác nhau rất nhiều giữa các mô hình vì các giả định về đất và thực vật.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược các lần chạy khí hậu kết hợp nhiều thế kỷ trên một siêu máy tính.Từ: 2000 Cox, Betts, Jones, Spall và Totterdell, sự tăng tốc của nóng lên toàn cầu do phản hồi chu trình carbon trong một mô hình khí hậu ghép đôi. nguồn
Mô hình hóa hệ sinh thái và địa hóa sinh đại dương
Chất dinh dưỡng, sinh vật phù du và mảnh vụn được dòng chảy mang đi và tuần hoàn qua đại dương, để dự đoán năng suất và lượng carbon mang xuống sâu.
Câu hỏi nó trả lời: Sinh vật đại dương mang bao nhiêu carbon xuống biển sâu?
Bỏ qua: Các nhóm sinh vật phù du là vài ngăn gộp lại với tốc độ được khớp.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một mô-đun địa hóa sinh trong mô hình hoàn lưu đại dương.Từ: 1990 Mô hình dựa trên nitơ của Fasham, Ducklow và McKelvie về động lực sinh vật phù du trong lớp xáo trộn của đại dương. nguồn
Tham số hóa dưới lưới học máy
Một mạng nơ-ron huấn luyện trên một mô hình phân giải mây thay cho những quy tắc viết tay về bão và mây quá nhỏ đối với một mô hình khí hậu toàn cầu thô.
Câu hỏi nó trả lời: Một mô hình khí hậu thô có thể làm đúng các đám mây quy mô nhỏ bằng cách học chúng từ một mô hình mịn hơn không?
Bỏ qua: Mạng có thể trôi vào các trạng thái bất ổn hoặc phi vật lý khi khí hậu dịch chuyển ra ngoài các điều kiện nó được huấn luyện.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược huấn luyện trên một tập nhỏ các mô phỏng chi tiết, rồi dùng với chi phí thấp bên trong mô hình khí hậu.Từ: 2018 Biểu diễn học sâu của Rasp, Pritchard và Gentine về các quá trình dưới lưới trong một mô hình khí hậu. nguồn
Dự báo thời tiết bằng số
Bầu khí quyển quan sát được hôm nay được đẩy tiến lên hàng giờ đến hàng ngày, thường dưới dạng một tập hợp các điểm xuất phát hơi khác nhau.
Câu hỏi nó trả lời: Thứ Năm ở đây có mưa không, và ta chắc chắn đến đâu?
Bỏ qua: Kỹ năng sụp đổ sau khoảng mười ngày, dù lưới mịn đến đâu.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược siêu máy tính của một trung tâm thời tiết quốc gia, vài phần trăm của nó trong vài giờ.Từ: 1950 Dự báo số đầu tiên của Charney, Fjørtoft và von Neumann.Trong cây mô phỏng: Dự báo đầu tiên bằng máy tính
Thời tiết học máy
Các mạng nơ-ron huấn luyện trên nhiều thập kỷ thời tiết quá khứ, cho dự báo trong vài giây thay vì vài giờ.
Câu hỏi nó trả lời: Một bộ mô phỏng học được có thể dự báo tốt như phần vật lý nó được huấn luyện theo không?
Bỏ qua: Nó học các khuôn mẫu trong thời tiết quá khứ, nên gặp khó với kiểu sự kiện cực đoan chưa từng thấy.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược một GPU cao cấp duy nhất; dự báo trong vài giây thay vì vài giờ.Từ: 2022 các mô hình thời tiết học được đầu tiên sánh ngang khả năng dự báo dựa trên vật lý.
Xoáy thuận nhiệt đới
Bão nhiệt đới độ phân giải cao: quỹ đạo, cường độ và lượng mưa của chúng.
Câu hỏi nó trả lời: Cơn bão sẽ đổ bộ ở đâu, và mạnh đến mức nào?
Bỏ qua: Mắt bão và thành mắt bão vẫn nhỏ hơn mức hầu hết các mô hình phân giải được đúng cách.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược cụm máy của một trung tâm dự báo quốc gia, chạy cho từng cơn bão đang hoạt động.Từ: 1969 Mô hình số đầu tiên của Ooyama về sự phát triển của một cơn bão.
Chất lượng không khí và sự phát tán
Chất ô nhiễm, khói và tro núi lửa được gió mang đi, trộn lẫn và biến đổi hóa học.
Câu hỏi nó trả lời: Đám khói đi về đâu, và không khí có an toàn để hít thở hay bay qua không?
Bỏ qua: Các bản kiểm kê phát thải, đầu vào mà cả dự báo phụ thuộc vào, thường đã lỗi thời hoặc chỉ là ước tính.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi sự kiện ô nhiễm.Từ: 1970 các mô hình chùm Gauss bằng máy tính đời đầu cho ô nhiễm ống khói.
Dự báo theo mùa
Một tổ hợp các lần chạy mô hình dài cỡ khí hậu, bắt đầu từ đại dương và khí quyển hôm nay, nhắm tới khả năng xảy ra cho cả một mùa chứ không phải một ngày đơn lẻ.
Câu hỏi nó trả lời: Mùa đông này sẽ ấm hơn hay ẩm hơn mức trung bình?
Bỏ qua: Không thể nói thời tiết sẽ ra sao vào một ngày bất kỳ, chỉ nói được xác suất bị lệch đi thế nào.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược siêu máy tính của một trung tâm dự báo quốc gia, một tổ hợp các lần chạy mỗi mùa.Từ: 1986 các dự báo mùa động lực học đời đầu dùng mô hình ghép đại dương.
Bão đối lưu dữ dội
Một cơn giông hay siêu ô giông đơn lẻ, được phân giải đến thang của dòng đi lên và đi xuống của nó, để xem nó có xoáy thành lốc xoáy hay thả mưa đá lớn không.
Câu hỏi nó trả lời: Cơn bão này có sinh ra lốc xoáy không, và ở đâu?
Bỏ qua: Cần một lưới đủ mịn để thấy lốc xoáy, quá tốn kém để chạy ở mọi nơi bão có thể hình thành.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy quốc gia, vài giờ cho một cơn bão ở độ phân giải rất cao.Từ: 1975 các mô hình máy tính ba chiều đời đầu về một cơn giông đơn lẻ.
Dự báo thời tiết tổ hợp sinh tạo
Một mô hình khuếch tán lấy mẫu nhiều kịch bản thời tiết khả dĩ cho hai tuần tới, đưa ra xác suất cho từng biến ở quy mô toàn cầu.
Câu hỏi nó trả lời: Một mô hình học được có thể cung cấp độ bất định dự báo đã hiệu chuẩn với chi phí thấp không?
Bỏ qua: Nó gắn với dữ liệu tái phân tích và không đảm bảo vật lý nào cho các cực trị hiếm.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược Huấn luyện trên hàng chục năm tái phân tích, vài phút cho mỗi thành viên tập hợpTừ: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) nguồn
Dự báo thời tiết tổ hợp
Một dự báo được chạy nhiều lần từ những trạng thái ban đầu hơi khác nhau, nên độ phân tán cho thấy thời tiết bất định đến đâu và mỗi kết quả có khả năng ra sao.
Câu hỏi nó trả lời: Một dự báo thời tiết đáng tin đến đâu, và điều gì khác có thể xảy ra?
Bỏ qua: Nhiễu loạn ở trạng thái ban đầu chỉ nắm được một phần sai số mô hình, nên độ phân tán thường quá hẹp.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược hàng chục dự báo toàn cầu mỗi ngày, mỗi cái là một lần chạy lớn.Từ: 1974 Kỹ năng lý thuyết của Leith về dự báo Monte Carlo. nguồn
Tái phân tích khí quyển
Một mô hình dự báo hiện đại cố định được chạy trên hàng chục năm quan sát trong quá khứ, hòa chúng thành một bản ghi nhất quán, không thiếu khoảng trống về khí quyển.
Câu hỏi nó trả lời: Gió, nhiệt độ và áp suất ở mọi nơi và mọi lúc trong quá khứ là bao nhiêu?
Bỏ qua: Những thay đổi của hệ thống quan sát theo thời gian để lại các xu hướng nhân tạo trong bản ghi.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược hàng thập kỷ chu kỳ đồng hóa trên một siêu máy tính.Từ: 1996 Dự án tái phân tích NCEP/NCAR 40 năm của Kalnay và các đồng nghiệp. nguồn
Mô phỏng xoáy lớn lớp biên khí quyển
Một kilômét thấp nhất của khí quyển, nơi các xoáy trộn rối trộn nhiệt, hơi ẩm và chất ô nhiễm, với các xoáy lớn được phân giải và các xoáy nhỏ được mô hình hóa.
Câu hỏi nó trả lời: Các xoáy rối mang nhiệt và hơi ẩm từ mặt đất lên cao như thế nào?
Bỏ qua: Trao đổi bề mặt và xáo trộn dưới lưới được tham số hóa, nên làm giảm độ chính xác gần mặt đất.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược vài km vùng mô phỏng ở độ phân giải hàng chục mét.Từ: 1972 Nghiên cứu số của Deardorff về các lớp biên hành tinh trung hòa và không ổn định. nguồn
Mô phỏng phân giải bão toàn cầu
Một mô hình khí quyển toàn hành tinh ở độ phân giải vài km để các cụm giông và bão nhiệt đới xuất hiện mà không cần tham số hóa đối lưu.
Câu hỏi nó trả lời: Khí quyển làm gì khi các cơn bão được phân giải thay vì xấp xỉ?
Bỏ qua: Vi vật lý mây và sự hỗn loạn dưới vài km vẫn phải tham số hóa, và các lần chạy quá ngắn để nghiên cứu khí hậu.
Chạy trên: khoảng 1019 FLOPS sơ lược hàng tuần trên các máy lớn nhất cho vài tháng mô phỏng.Từ: 2008 Mô hình khí quyển lưới hai mươi mặt không thủy tĩnh của Satoh và các đồng nghiệp cho mô phỏng toàn cầu phân giải mây. nguồn
Phát thải và vận chuyển bụi khoáng
Gió cuốn bụi sa mạc lên, mang qua biển và lắng xuống, để tìm ảnh hưởng của nó lên bức xạ, chất dinh dưỡng đại dương và chất lượng không khí.
Câu hỏi nó trả lời: Bao nhiêu bụi sa mạc đi vào không khí và chúng bay đi đâu?
Bỏ qua: Ngưỡng phát thải phụ thuộc vào các tính chất đất và bề mặt được lập bản đồ kém.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược một mô-đun bụi trong mô hình khí quyển qua nhiều năm.Từ: 1994 Mô hình bụi khoáng trong khí quyển của Tegen và Fung: nguồn, vận chuyển và độ dày quang học. nguồn
Mô hình hóa cân bằng năng lượng bề mặt đô thị
Đường phố, mái nhà và tường được coi là một hẻm núi trao đổi nhiệt, hơi ẩm và động lượng với không khí, để dự đoán đảo nhiệt đô thị và nhu cầu làm mát của tòa nhà.
Câu hỏi nó trả lời: Vì sao một thành phố nóng hơn vùng nông thôn quanh nó?
Bỏ qua: Thành phố được rút gọn thành những hẻm phố lý tưởng hóa, nên chi tiết tòa nhà và nhiệt từ giao thông chỉ được xấp xỉ.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược một sơ đồ hẻm phố trong mô hình khí quyển phủ một vùng đô thị lớn.Từ: 2000 Sơ đồ vật lý của Masson cho ngân sách năng lượng đô thị trong các mô hình khí quyển. nguồn
Mô hình hóa nhiệt quyển và tầng điện ly
Tầng khí quyển trên cao từ 100 đến 600 kilômét, được nung nóng bởi ánh nắng và các hạt, với gió và dòng điện làm thay đổi lực cản vệ tinh và tín hiệu vô tuyến.
Câu hỏi nó trả lời: Hoạt động của Mặt Trời làm thay đổi thượng tầng khí quyển và sự truyền sóng vô tuyến ra sao?
Bỏ qua: Biên dưới và năng lượng từ phía trên được áp đặt từ dữ liệu thưa thớt.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược mô phỏng tầng khí quyển trên ghép đôi qua nhiều ngày thời tiết không gian.Từ: 1988 Mô hình hoàn lưu chung kết hợp nhiệt quyển/tầng điện ly của Roble, Ridley, Richmond và Dickinson. nguồn
Hoàn lưu đại dương
Dòng hải lưu, xoáy nước, nhiệt và muối di chuyển trong các đại dương của thế giới.
Câu hỏi nó trả lời: Liệu các dòng hải lưu đảo chiều lớn của Đại Tây Dương có thể chậm lại không?
Bỏ qua: Các xoáy trộn nhiệt và cacbon phần lớn nhỏ hơn lưới, nên ảnh hưởng của chúng phải được tham số hóa.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy lớn, vài tuần cho một lần chạy nhiều thập kỷ.Từ: 1969 Mô hình máy tính đầu tiên của Bryan về hoàn lưu đại dương toàn cầu.
Sóng thần và triều cường do bão
Sóng do động đất hoặc bão tạo ra, vượt đại dương và tràn lên bờ.
Câu hỏi nó trả lời: Nước sẽ dâng đến mức nào, và những con phố nào ngập trước?
Bỏ qua: Công trình phòng vệ bờ biển và hệ thống thoát nước thường được đơn giản hóa xa dưới độ phân giải của chính đợt sóng tràn.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm; vài phút cho một lần chạy cảnh báo ven biển.Từ: 1969 Những thí nghiệm số đầu tiên của Aida mô hình hóa một cơn sóng thần.
Sông và lũ lụt
Mưa rơi xuống một lưu vực, thấm vào hoặc chảy thành suối, sông và vùng ngập lũ.
Câu hỏi nó trả lời: Cơn bão này gây lũ lớn cỡ nào, và ở đâu?
Bỏ qua: Đất và việc sử dụng đất được lấy trung bình trên toàn lưu vực, che đi cánh đồng hay khe xói cụ thể thật sự gây ngập.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược một máy tính xách tay; một lần chạy lưu vực mất vài phút.Từ: 1966 Mô hình mưa - dòng chảy Stanford Watershed của Crawford và Linsley.
Nước ngầm
Nước di chuyển chậm qua đất và đá trong các tầng chứa nước.
Câu hỏi nó trả lời: Chúng ta có thể bơm tầng ngậm nước này bao lâu trước khi giếng cạn?
Bỏ qua: Tính chất đá và đất dưới bề mặt được lập bản đồ từ các lỗ khoan cách nhau hàng trăm mét, nên phần lớn tầng chứa nước là suy ra.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược một máy tính xách tay hoặc máy trạm; vài phút đến vài giờ cho mỗi tầng ngậm nước.Từ: 1968 Mô hình sai phân hữu hạn tầng ngậm nước thời kỳ đầu của Pinder và Bredehoeft.
Băng biển
Băng nổi trên mặt đại dương, nứt, chồng gờ, trôi dạt và tan chảy dưới gió, sóng và hơi ấm.
Câu hỏi nó trả lời: Cuối mùa hè, Bắc Băng Dương sẽ còn được băng phủ bao nhiêu?
Bỏ qua: Coi một cánh đồng băng không đồng nhất, đầy vết nứt và gờ nổi, như một tấm liên tục trơn tru.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học hoặc quốc gia, vài tuần kết hợp với một lần chạy đại dương.Từ: 1969 các mô hình máy tính đời đầu về băng biển Bắc Cực trôi dạt.
Dự báo sóng biển
Gió thổi trên mặt nước mở, tạo và dẫn hướng sóng lừng và sóng ngắn, được theo dõi để dự báo chiều cao và hướng sóng cho tàu thuyền và bờ biển.
Câu hỏi nó trả lời: Ngày mai biển ở đây sẽ động đến mức nào?
Bỏ qua: Hoạt động kém trên các đỉnh sóng dốc nhất, đang vỡ, vốn quan trọng nhất với an toàn hàng hải.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược cụm máy của một trung tâm dự báo quốc gia, chạy nhiều lần mỗi ngày.Từ: 1956 dự báo sóng bằng số đời đầu theo sau các phương pháp dự đoán sóng lừng thời chiến.
Mô hình hóa ngập lụt
Nước từ một dòng sông hay cơn bão lan ra khắp một đồng bằng ngập lụt trên lưới địa hình, để lập bản đồ độ sâu và phạm vi cho bảo hiểm và quy hoạch.
Câu hỏi nó trả lời: Những con phố và cánh đồng nào bị ngập trong một trận lũ?
Bỏ qua: Sai số chủ yếu đến từ độ chính xác địa hình và thủy đồ dòng vào, không phải từ phương pháp số.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược các mô hình nước nông hai chiều hoặc dạng raster của một lưu vực sông.Từ: 2000 Mô hình raster đơn giản của Bates và De Roo để mô phỏng ngập lụt. nguồn
Mô hình hóa hoàn lưu ven bờ và cửa sông
Thủy triều, sông và gió đưa nước, muối và trầm tích đi qua các vịnh và cửa sông trên một lưới bám theo địa hình.
Câu hỏi nó trả lời: Thủy triều và sông hòa trộn nước dọc bờ biển thế nào?
Bỏ qua: Sai số về xáo trộn quy mô nhỏ và địa hình đáy biển làm hạn chế độ chính xác gần bờ.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược mô hình khu vực ba chiều với các lần chạy kéo dài một năm.Từ: 1987 Mô tả của Blumberg và Mellor về một mô hình hoàn lưu đại dương ven bờ ba chiều. nguồn
Mô hình mảnh vỡ biển và trôi dạt Lagrange
Các hạt ảo được dòng hải lưu mô phỏng hoặc quan sát mang đi để tìm xem nhựa, dầu hay ấu trùng trôi về đâu.
Câu hỏi nó trả lời: Nhựa nổi từ một bờ biển rốt cuộc trôi về đâu?
Bỏ qua: Sức cản gió, độ trôi do sóng và việc các hạt chìm hoặc vỡ vụn còn ít được biết.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược hàng triệu hạt được đưa đi qua dòng hải lưu một năm.Từ: 2012 Nguồn gốc, động lực và sự tiến hóa của các vùng rác đại dương từ các phao trôi mặt quan sát được của van Sebille, England và Froyland. nguồn
Mô phỏng hồ chứa dầu khí
Dầu, khí và nước chảy qua các lỗ của một hồ chứa đá về phía giếng, để lập kế hoạch khoan và dự đoán thu hồi được bao nhiêu.
Câu hỏi nó trả lời: Một mỏ dầu sẽ cho bao nhiêu dầu, và nên đặt giếng ở đâu?
Bỏ qua: Tính chất đá giữa các giếng được suy ra từ dữ liệu thưa, nên độ bất định thường lớn hơn phần số học.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược dòng chảy đa pha trong một mô hình địa chất hàng triệu ô.Từ: 1955 Lời giải số của Peaceman và Rachford cho các phương trình vi phân parabol và elliptic, nền tảng của các bộ mô phỏng hồ chứa thời kỳ đầu. nguồn
Điều chỉnh đẳng tĩnh băng hà và dấu vân tay mực nước biển
Lớp vỏ Trái Đất bật lên khi các tảng băng tan và đại dương phân bố lại, để dự đoán sự thay đổi mực nước biển theo vùng và trường trọng lực.
Câu hỏi nó trả lời: Vì sao mực nước biển hạ ở một số nơi khi băng tan và dâng ở những nơi khác?
Bỏ qua: Độ nhớt lớp phủ dưới các mảng được ràng buộc kém và thay đổi theo từng vùng.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược các mô hình Trái Đất nhớt đàn hồi được giải trên một mặt cầu.Từ: 1976 Phép tính mực nước biển hậu băng hà của Farrell và Clark. nguồn
Mô phỏng lưu trữ carbon dioxide trong địa chất
Carbon dioxide được bơm vào lan ra, nổi lên và hòa tan trong một thành tạo đá mặn, với việc bị giữ lại bởi đá nắp, mao dẫn và phản ứng khoáng vật được theo dõi qua nhiều thế kỷ.
Câu hỏi nó trả lời: Khí có ở lại dưới lòng đất không, và nó đi đâu?
Bỏ qua: Lớp đá bên dưới lỗ khoan chỉ được biết qua vài giếng và khảo sát, nên độ thấm và đứt gãy được đoán với bất định lớn.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược hàng tuần trên một cụm máy cho một mô hình quy mô lưu vực qua hàng nghìn năm.Từ: 2002 Cuộc so sánh chéo các mã số của Lawrence Berkeley về việc chôn lấp CO2 trong lòng đất. nguồn
Vận chuyển phản ứng dưới lòng đất
Nước mang hóa chất qua đá hoặc đất trong khi khoáng chất hòa tan, kết tủa và trao đổi ion, được giải cùng với dòng chảy.
Câu hỏi nó trả lời: Hóa học và hệ thống ống dẫn của một tầng ngậm nước hay kho chứa thay đổi lẫn nhau theo thời gian ra sao?
Bỏ qua: Tốc độ phản ứng đo trong phòng thí nghiệm được áp dụng cho đá có diện tích bề mặt phản ứng dưới lòng đất chưa biết.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược vài ngày trên một cụm máy cho một địa điểm thực địa ba chiều.Từ: 1985 Mô hình liên tục của Lichtner cho các phản ứng hóa học kết hợp và vận chuyển khối lượng trong hệ thủy nhiệt. nguồn
Đối lưu lớp phủ và kiến tạo mảng
Đá nóng từ từ chảy dẻo bên trong hành tinh suốt hàng trăm triệu năm, mang theo các mảng nằm phía trên.
Câu hỏi nó trả lời: Vì sao Trái Đất có kiến tạo mảng còn các hành tinh láng giềng thì không?
Bỏ qua: Chạy hàng triệu năm mô phỏng một lúc, nên không thể đồng thời cho thấy một trận động đất đơn lẻ.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài tuần cho một lần chạy dài.Từ: 1974 Mô hình đối lưu lớp phủ bằng số đầu tiên của McKenzie, Roberts và Weiss.
Động đất và sóng địa chấn
Đứt gãy vỡ ra và các sóng lan trong vỏ Trái Đất làm rung mặt đất.
Câu hỏi nó trả lời: Thành phố này sẽ rung mạnh đến đâu nếu đứt gãy đó bất ngờ dịch trượt?
Bỏ qua: Điểm bắt đầu của đứt gãy và độ nhám chính xác của đứt gãy vẫn là giả định chứ chưa được biết trước.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy quốc gia hoặc của trường đại học, vài ngày cho một vụ đứt gãy lớn.Từ: 1968 Mô hình sai phân hữu hạn đầu tiên của Alterman và Karal về sóng địa chấn.
Núi lửa phun trào và dòng dung nham
Magma dâng lên, phun trào và chảy xuống dốc thành dung nham, tro hay những đám mây nóng di chuyển nhanh.
Câu hỏi nó trả lời: Những ngôi làng nào nằm trên đường đi nếu núi lửa phun trào?
Bỏ qua: Không thể dự đoán khi nào một vụ phun trào bắt đầu, chỉ biết điều gì xảy ra khi nó đã bắt đầu.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi kịch bản.Từ: 1980 các mô hình máy tính đời đầu về dung nham chảy xuống từ một miệng núi lửa.
Tiến hóa cảnh quan
Sông cắt thung lũng, sườn đồi trườn chậm và bờ biển xói mòn qua hàng nghìn đến hàng triệu năm.
Câu hỏi nó trả lời: Cảnh quan này có hình dạng như bây giờ bằng cách nào?
Bỏ qua: Nén hàng triệu năm vào một lần chạy, nên bất kỳ cơn bão hay vụ lở đá đơn lẻ nào đều bị làm mượt đi.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm; vài ngày cho một cảnh quan triệu năm.Từ: 1991 Mô hình tiến hóa cảnh quan được tính toán thời kỳ đầu của Willgoose và cộng sự.
Sự lan của cháy rừng
Lửa lan qua nhiên liệu, địa hình và gió, từng ô một.
Câu hỏi nó trả lời: Sáu giờ nữa mũi lửa sẽ ở đâu?
Bỏ qua: Gió, động lực lớn nhất đằng sau hành vi của một đám cháy thật, thường được đơn giản hóa thành một mức trung bình ổn định.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc máy tính xách tay; vài phút cho một mặt trận lửa lan.Từ: 1972 Các phương trình lan truyền lửa của Rothermel, sớm được tin học hóa để dự báo.
Sạt lở đất và dòng mảnh vụn
Một sườn đất, đá hay bùn đổ sập và trôi xuống dốc, được theo dõi khi nó tăng tốc, lan rộng và vùi lấp địa hình bên dưới.
Câu hỏi nó trả lời: Sườn dốc này sẽ trượt xa bao nhiêu sau khi sụp, và nhanh thế nào?
Bỏ qua: Khoảnh khắc một sườn dốc thật sự sụp vẫn khó dự đoán hơn những gì xảy ra sau đó.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi kịch bản sườn dốc.Từ: 1980 các mô hình máy tính đời đầu về quãng trượt của một sườn dốc đang sụp.
Nguy cơ địa chấn dựa trên vật lý
Mô phỏng đứt vỡ và lan truyền sóng động đất thay các quy tắc suy giảm kinh nghiệm để cho rung chấn tại từng địa điểm.
Câu hỏi nó trả lời: Mặt đất ở đây sẽ rung mạnh đến đâu với mỗi kiểu đứt gãy có thể xảy ra?
Bỏ qua: Cần một mô hình vận tốc đã biết, và tần số cao khó phân giải.
Chạy trên: khoảng 1018 FLOPS sơ lược Nhiều kịch bản đứt gãy, mỗi kịch bản là một mô phỏng sóng 3DTừ: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) nguồn
Mô phỏng dynamo địa chất
Sự đối lưu của sắt lỏng trong lõi Trái Đất tạo ra và duy trì từ trường, kể cả những lần đảo cực ngẫu nhiên của nó.
Câu hỏi nó trả lời: Lõi Trái Đất tạo ra từ trường bằng cách nào, và vì sao nó đảo chiều?
Bỏ qua: Giá trị độ nhớt và độ dẫn khác xa thật, nên dòng chảy mượt hơn nhiều so với bên trong Trái Đất.
Chạy trên: khoảng 1018 FLOPS sơ lược vài tháng trên một siêu máy tính cho một dynamo vẫn còn chạy rất xa điều kiện giống Trái Đất.Từ: 1995 Mô phỏng ba chiều tự nhất quán của Glatzmaier và Roberts về một lần đảo cực từ trường Trái Đất. nguồn
Nghịch đảo địa chấn toàn dạng sóng
Sóng địa chấn được chạy lặp lại qua một mô hình Trái Đất thử, được điều chỉnh cho đến khi sóng tổng hợp và sóng ghi được khớp nhau, để chụp ảnh cấu trúc đá.
Câu hỏi nó trả lời: Lớp đá bên dưới chúng ta trông ra sao, khi nhìn bằng các sóng đã đi qua nó?
Bỏ qua: Phép đảo có thể mắc vào các nghiệm sai nếu mô hình ban đầu không gần.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược hàng nghìn mô phỏng sóng trong một vòng lặp tối ưu hóa.Từ: 1984 Phép đảo dữ liệu phản xạ địa chấn của Tarantola trong xấp xỉ âm học. nguồn
Lan truyền sóng địa chấn bằng phần tử phổ
Sóng động đất lan truyền qua một mô hình ba chiều của vỏ Trái Đất hoặc cả Trái Đất với các phần tử bậc cao bám theo địa hình và các lớp.
Câu hỏi nó trả lời: Sóng lan truyền thế nào qua Trái Đất thật, lồi lõm?
Bỏ qua: Các mô hình Trái Đất còn bất định về cấu trúc quy mô nhỏ và sự suy giảm, nên các chu kỳ ngắn kém đáng tin hơn.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược các lần chạy toàn Trái Đất phân giải các chu kỳ vài giây.Từ: 1998 Phương pháp phần tử phổ của Komatitsch và Vilotte cho đáp ứng địa chấn của các cấu trúc hai và ba chiều. nguồn
Mô phỏng chu kỳ động đất
Một đứt gãy chịu tải chậm do chuyển động của các mảng, với ma sát lúc kẹt lúc trượt, được mô phỏng qua nhiều chu kỳ tích tụ yên ắng rồi đứt vỡ đột ngột.
Câu hỏi nó trả lời: Động đất lặp lại trên một đứt gãy qua nhiều thế kỷ ra sao?
Bỏ qua: Định luật ma sát được rút ra trong phòng thí nghiệm và ngoại suy tới các độ sâu và tốc độ chưa từng đo.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược các chu kỳ đứt gãy tốc độ-và-trạng thái qua hàng nghìn năm.Từ: 1986 Nghiên cứu của Tse và Rice về sự bất ổn của động đất vỏ Trái Đất liên quan đến sự biến thiên theo độ sâu của các tính chất trượt ma sát. nguồn
Mô hình danh mục động đất ngẫu nhiên
Các chuỗi động đất tổng hợp được sinh ra từ một mô hình thống kê, trong đó mỗi chấn động làm tăng khả năng xảy ra dư chấn, để dự báo sự tụ cụm và mức nguy hiểm.
Câu hỏi nó trả lời: Dư chấn có khả năng xảy ra đến đâu sau một trận động đất lớn?
Bỏ qua: Mô hình nắm được sự tụ cụm thống kê nhưng không có vật lý của ứng suất đứt gãy.
Chạy trên: khoảng 106 FLOPS sơ lược các danh mục ngẫu nhiên tốn rất ít, và một tập hợp dài chạy được trên một máy trạm.Từ: 1988 Các mô hình thống kê của Ogata cho sự xuất hiện động đất và phân tích phần dư cho các quá trình điểm. nguồn
Mô hình bề mặt đất
Sự trao đổi nước, nhiệt và điôxít cacbon giữa đất, cây và không khí, được viết thành một thành phần bề mặt cho các mô hình khí quyển và khí hậu.
Câu hỏi nó trả lời: Cây cối và đất kiểm soát nhiệt và nước di chuyển giữa mặt đất và không khí ra sao?
Bỏ qua: Thảm thực vật được mô tả bằng vài tham số cho mỗi ô, và chuyển động của nước trong đất được đơn giản hóa rất nhiều.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược một cột một chiều cho mỗi ô lưới bên trong các mô hình khí hậu.Từ: 1986 Mô hình sinh quyển đơn giản của Sellers, Mintz, Sud và Dalcher để dùng trong các mô hình hoàn lưu chung. nguồn
Mô hình lửa và khí quyển ghép đôi
Mặt trận lửa và gió do nó tạo ra được giải cùng nhau, nên nhiệt từ đám cháy hút không khí vào, đổi dòng chảy và đến lượt nó lại thay đổi cách lửa lan ra và tung tàn lửa và khói.
Câu hỏi nó trả lời: Một đám cháy làm thay đổi hình dạng của luồng gió thổi nó ra sao?
Bỏ qua: Sự cháy và nhiên liệu được biểu diễn bằng các định luật tốc độ đơn giản, nên các hành vi cực đoan như cháy tán và bắn tàn lửa chỉ được nắm bắt sơ lược.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược vài ngày trên một cụm máy cho một vụ cháy lớn ở độ phân giải hàng chục mét.Từ: 1996 Mô hình khí quyển - lửa ghép đôi của Clark, Jenkins và Coen về động lực của đường lửa. nguồn