--- title: "地球与气候 · 模拟 · 模拟假说" url: https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/earth-climate description: "天气、气候、海洋、冰、地震、洪水和火灾：作为一组耦合方程的行星。 这是人们实际运行的模拟分类体系的一部分。" license: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ credit: "Ross Allan Dahl，模拟假说（simulation-hypothesis.com）" --- [模拟](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations)第 3 个领域，共 18 个 # 地球与气候 天气、气候、海洋、冰、地震、洪水和火灾：作为一组耦合方程的行星。 地球是由大气、海洋、冰、岩石和生物圈组成的耦合系统。这些模拟把它离散成网格单元，并在时间上向前积分。天气预报是最为人熟知的用途。 ## 气候 ### 地球系统模型 大气、海洋、海冰、陆地和碳循环在全球网格上耦合，运行数百年。 它回答的问题: 在给定的排放路径下，地球会变暖多少？ 略去了： 云仍然由参数化来表示，这是模型之间分歧的最大单一来源。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 一台国家级超级计算机的很大份额，运行数月。 自： 1969 Manabe 和 Bryan 首个海洋-大气耦合气候模型。 在模拟树中: [海洋—大气耦合](https://simulation-hypothesis.com/zh/trees/simulations?n=p-manabebryan) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 古气候 同样的模型也用来模拟冰期和深时，只是大陆、轨道和大气各不相同。 它回答的问题: 是什么触发了冰期，过去能告诉我们气候有多敏感？ 略去了： 古代的海岸线、冰和植被由稀少的证据重建出来，然后被当作已知输入。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 与现代气候模拟类似，占用超级计算机一部分算力数月。 自： 1977 Manabe 和 Hahn 首次用全球环流模式模拟冰期气候。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 冰盖与海平面 冰川和冰盖流动、融化，并崩解入海。 它回答的问题: 本世纪冰盖能以多快的速度增加海平面？ 略去了： 冰如何突然断裂和滑动，其中的物理仍然没有被很好地捕捉。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 大学集群，每个模拟的世纪数天到数周。 自： 1976 Mahaffy 早期的冰盖有限差分计算机模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 综合评估模型 能源、经济、土地利用和气候被连成一个模型，用来比较各种政策路径。 它回答的问题: 什么样的能源和土地利用组合能把升温控制在给定限度内，代价是多少？ 略去了： 把整个经济和气候简化成寥寥几个方程，所以答案在很大程度上取决于所选的贴现率。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 笔记本电脑；一次完整的运行需要数秒到数分钟。 自： 1992 Nordhaus 的 DICE 模型，第一个被广泛使用的气候-经济模型。 [系统动力学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-system-dynamics)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：种群 ### 区域气候降尺度 用全球气候模型的粗略输出，来驱动覆盖一个国家或一条山脉的更精细的区域模型。 它回答的问题: 全球变暖对这个山谷的天气究竟意味着什么？ 略去了： 它继承了它所嵌套的全球模型的偏差，只是分辨率更高。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 国家级集群，一次区域预估数周。 自： 1989 早期运行在有限区域上的嵌套区域气候模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 太阳地球工程 在气候模型运行中加入一项刻意的干预，比如向高层大气注入反射性颗粒，看它会改变什么。 它回答的问题: 有意减少入射的阳光能否抵消变暖，会有哪些副作用？ 略去了： 这类干预从未大规模实施过，所以每个结果都取决于模型能多好地表示在这种部署下从未观察过的气溶胶。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 一台国家级超级计算机的很大份额，运行数月。 自： 1992 早期检验假想的火山式干预的气候模型实验。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 世界-地球模型 气候模型与对人类行为的简单动态描述耦合，使排放、政策和社会变化对地球状态做出响应。 它回答的问题: 社会临界点和气候反馈如何在数百年间相互作用？ 略去了： 行为规则是假说，空间上的气候细节也很粗略。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 以大规模集合方式运行的降低复杂度模型 自： 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) [来源](https://doi.org/10.5194/esd-2017-126) [系统动力学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-system-dynamics)[基于主体](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-agent-based)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 全球云解析模型 网格精细到数公里的大气模型，足以在全球范围内显式表示深对流。 它回答的问题: 能否直接模拟热带云系，而不是通过参数？ 略去了： 运行时间很短，湍流和云微物理仍然是近似处理。 运行于：约 10^18 FLOPS 粗略 在最大的机器上模拟数周的时间 自： 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) [来源](https://doi.org/10.1126/science.1148443) 在模拟树中: [全球云解析模型](https://simulation-hypothesis.com/zh/trees/simulations?n=p-miura) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 超参数化 在粗网格全球模型的每个气柱里嵌入一个小型云解析模型，取代通常的对流方案。 它回答的问题: 显式的云物理能否在没有完整全球精细网格的情况下改进气候模型？ 略去了： 嵌入的模型很小，而且不与相邻的气柱交流。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 嵌入二维云模型会使成本成倍增加 自： 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0469%282001%29058<0978:CCPWTL>2.0.CO;2) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 极端事件归因 有人类影响和没有人类影响的大型气候模拟集合，给出每个世界里某次热浪、洪水或风暴发生的几率。 它回答的问题: 人类排放在多大程度上改变了这一特定事件发生的几率？ 略去了： 结果取决于模型在该尺度上能多好地复现这类事件。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 数百到数千个集合成员 自： 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) [来源](https://doi.org/10.1038/nature03089) [随机过程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-stochastic)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 志愿者计算的扰动物理集合 气候模型的数千个副本，每个的物理参数都略有不同，在志愿者捐出的家用电脑上运行。 它回答的问题: 在不确定的模型物理下，与之相容的变暖范围有多宽？ 略去了： 模型结构是固定的；只改变参数。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 数万次模型运行 自： 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) [来源](https://doi.org/10.1038/nature03301) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[随机过程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-stochastic)精度下限：场 ### 初始条件大型集合 同一个气候模型，从略有不同的起点运行数十次，以区分受强迫的变化和内部变率。 它回答的问题: 区域趋势中有多少属于气候自身的噪声？ 略去了： 它捕捉的是单个模型内部的变异，而不是模型之间的差异。 运行于：约 10^18 FLOPS 粗略 数十次长达几个世纪的耦合运行 自： 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) [来源](https://doi.org/10.1175/BAMS-D-13-00255.1) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[随机过程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-stochastic)精度下限：场 ### 学习型气候仿真器 在气候模型输出上训练的神经网络，把大气向前推进数十年或数百年，成本只有原来的一小部分。 它回答的问题: 训练好的替代模型能否快速重现数十年的气候统计特征？ 略去了： 它继承了训练模型的偏差，在没见过的气候下可能失效。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 在模型档案上训练，然后低成本地长时间运行 自： 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) [来源](https://arxiv.org/abs/2310.02074) [习得的仿真器](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-learned)精度下限：场 ### 地球系统数字孪生 持续更新的高分辨率行星模型，由观测数据驱动，用来回答用户的假设性问题。 它回答的问题: 如果某个决定或事件发生，一个地区会怎样？ 略去了： 孪生体的可信度，只取决于它的模型和数据，而且交互式情景有限。 运行于：约 10^19 FLOPS 粗略 公里尺度全球模型加同化 自： 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) [来源](https://doi.org/10.1038/s43588-021-00023-0) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[习得的仿真器](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-learned)[实时](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-real-time)精度下限：场 ### 辐射-对流气候模型 一个在辐射与对流之间平衡的单一大气气柱，用来求出二氧化碳或湿度变化时一颗行星会变暖多少。 它回答的问题: 当温室气体翻倍时，一柱空气会升温多少？ 略去了： 它没有风、云或海洋输运，所以给出的是参考性的升温，而不是预报。 运行于：约 10^4 FLOPS 粗略 一维气柱，在笔记本电脑上很快。 自： 1967 Manabe 和 Wetherald，在给定相对湿度分布下大气的热平衡。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0469%281967%29024<0241:teotaw>2.0.co;2) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 能量平衡气候模型 把地球简化为纬度带，这些带吸收和释放热量，并通过输运交换热量，足以显示冰-反照率反馈以及气候状态之间的临界转变。 它回答的问题: 冰盖的失控扩张能否冻结整个星球？ 略去了： 这幅图忽略了动力学和天气，所以它能提供参考，却不能用来预报。 运行于：约 10^3 FLOPS 粗略 几个方程；在任何计算机上数秒。 自： 1969 Sellers 基于地球-大气系统能量平衡的全球气候模型。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0450%281969%29008<0392:agcmbo>2.0.co;2) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[系统动力学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-system-dynamics)精度下限：规则 ### 动态全球植被与碳循环建模 在全球范围内模拟植物、土壤及其碳交换，植被类型随气候变化而相互竞争、更替。 它回答的问题: 随着气候变暖，陆地会吸收或释放多少碳？ 略去了： 植物类型被归并成少数几个功能类，养分和干扰的反馈很粗糙。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 跨越数个世纪的全球模拟，常常使用较粗的网格。 自： 1996 Foley 及其同事的集成生物圈模型，涵盖陆面过程、陆地碳平衡和植被动态。 [来源](https://doi.org/10.1029/96gb02692) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[系统动力学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-system-dynamics)[规则与状态](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-rules)精度下限：场 ### 碳循环与气候耦合模拟 一个内含陆地和海洋碳循环的气候模型，因此变暖可以改变地球吸收碳的量，并反过来影响自身。 它回答的问题: 变暖会让陆地和海洋从碳的吸收者变成排放源吗？ 略去了： 由于土壤和植被的假设不同，各模型对陆地碳响应的结果差异很大。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 在超级计算机上做跨越数个世纪的耦合气候模拟。 自： 2000 Cox、Betts、Jones、Spall 和 Totterdell 对耦合气候模型中碳循环反馈导致全球变暖加速的研究。 [来源](https://doi.org/10.1038/35041539) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 海洋生态系统与生物地球化学建模 养分、浮游生物和碎屑在海洋中被输运和循环，用来预测生产力和输送到深海的碳。 它回答的问题: 海洋生物把多少碳带入了深海？ 略去了： 浮游生物类群只是几个归并的区室，速率是拟合的。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 海洋环流模型中的一个生物地球化学模块。 自： 1990 Fasham、Ducklow 和 McKelvie 基于氮的大洋混合层浮游生物动力学模型。 [来源](https://doi.org/10.1357/002224090784984678) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[系统动力学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-system-dynamics)精度下限：场 ### 学习型次网格参数化 在云解析模型上训练的神经网络，取代全球气候粗网格模型里那些因尺度太小而无法解析的风暴和云的手写规则。 它回答的问题: 粗网格气候模型能否通过向更精细的模型学习，把小尺度的云弄对？ 略去了： 当气候超出训练时的条件，网络可能漂移到不稳定或不符合物理的状态。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 用一小批精细模拟做训练，然后在气候模型中低成本地使用。 自： 2018 Rasp、Pritchard 和 Gentine 在气候模型中用深度学习表示次网格过程。 [来源](https://doi.org/10.1073/pnas.1810286115) [习得的仿真器](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-learned)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ## 天气与空气 ### 数值天气预报 把今天观测到的大气向前推进数小时到数天，通常是从略有不同的起点出发做成集合。 它回答的问题: 周四这里会下雨吗，我们有多确定？ 略去了： 超过大约十天，预报技巧就崩溃了，不论网格多精细。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 国家气象中心的超级计算机，其中百分之几，运行数小时。 自： 1950 Charney、Fjortoft 和 von Neumann 的第一次数值天气预报。 在模拟树中: [第一次计算机天气预报](https://simulation-hypothesis.com/zh/trees/simulations?n=p-eniac) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[蒙特卡罗](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-monte-carlo)精度下限：场 ### 机器学习天气 神经网络用几十年的历史天气训练，几秒钟而不是几小时就能给出预报。 它回答的问题: 一个学习得来的仿真器，能否预报得和它所学习的物理模型一样好？ 略去了： 它学的是过去天气的规律，所以对从未见过的那类极端事件就吃力。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 单块高端 GPU；预报只需数秒，而不是数小时。 自： 2022 第一批达到基于物理的预报水平的学习型天气模型。 [习得的仿真器](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-learned)精度下限：场 ### 热带气旋 飓风和台风的高分辨率模拟：它们的路径、强度和降雨。 它回答的问题: 风暴会在哪里登陆，强度有多大？ 略去了： 台风眼和眼墙仍然小于大多数模型能够恰当解析的尺度。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 国家预报中心的集群，对每场活跃风暴各运行一次。 自： 1969 Ooyama 早期的飓风发展数值模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 空气质量与扩散 污染物、烟雾和火山灰被风携带、混合并发生化学转化。 它回答的问题: 烟羽会飘向哪里，那里的空气能呼吸、能飞行吗？ 略去了： 排放清单是整个预报所依赖的输入，往往已经过时，或者是估计出来的。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 工作站或小型集群，每次污染事件数小时。 自： 1970 早期用于烟囱污染的计算机化高斯烟羽模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[粒子与 N 体](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-particles)精度下限：场 ### 季节预报 一组气候时长的模型运行，从今天的海洋和大气出发，目标是整个季节的概率，而不是某一天。 它回答的问题: 今年冬天会比平均水平更暖还是更湿？ 略去了： 无法说出某一天的天气会怎样，只能说概率发生了怎样的偏移。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 国家预报中心的超级计算机，每个季节运行一组集合预报。 自： 1986 早期使用海洋耦合模型的动力学季节预报。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[蒙特卡罗](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-monte-carlo)精度下限：场 ### 强对流风暴 一场单独的雷暴或超级单体，解析到上升气流和下沉气流的尺度，看它会不会形成龙卷风或降下大冰雹。 它回答的问题: 这场风暴会产生龙卷风吗，在哪里？ 略去了： 需要细到能看清龙卷风的网格，而在风暴可能形成的每个地方都这样运行，成本太高。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 国家级集群，一场风暴以极高分辨率运行数小时。 自： 1975 早期单个雷暴的三维计算机模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 生成式集合天气预报 扩散模型对未来两周生成许多种可能的天气走向，在全球尺度上给出每个变量的概率。 它回答的问题: 学习得来的模型，能否廉价地提供经过校准的预报不确定性？ 略去了： 它依赖再分析数据，对罕见的极端事件没有物理上的保证。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 用几十年的再分析资料训练，每个集合成员需要几分钟 自： 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) [来源](https://arxiv.org/abs/2312.15796) [习得的仿真器](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-learned)[随机过程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-stochastic)精度下限：场 ### 集合天气预报 一个预报从略有不同的初始状态出发运行许多次，结果的离散程度显示天气有多不确定，以及每种结果有多大可能。 它回答的问题: 天气预报能有多大把握，还可能出现什么别的情况？ 略去了： 初始状态的扰动只能部分反映模型误差，所以离散度往往偏窄。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 每天数十次全球预报，每一次都是一次大型运行。 自： 1974 Leith 关于蒙特卡罗预报的理论技巧。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0493%281974%29102<0409:tsomcf>2.0.co;2) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[蒙特卡罗](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-monte-carlo)精度下限：场 ### 大气再分析 一个固定不变的现代预报模型，在数十年的历史观测上运行，把观测融合成一份一致、无缺口的大气记录。 它回答的问题: 过去每一个地点、每一个时刻的风、温度和气压是怎样的？ 略去了： 观测系统随时间发生的变化，会在记录中留下人为的趋势。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 在超级计算机上做数十年的同化循环。 自： 1996 Kalnay 及同事的 NCEP/NCAR 40 年再分析项目。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0477%281996%29077<0437:tnyrp>2.0.co;2) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 大气边界层大涡模拟 大气最低的一公里，湍流涡旋在这里混合热量、水汽和污染物，大涡旋被解析，小涡旋则由模型处理。 它回答的问题: 湍流涡旋如何把热量和水汽从地面向上输送？ 略去了： 地表交换和亚网格混合是参数化的，这限制了近地面的精度。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 数公里的区域，分辨率为数十米。 自： 1972 Deardorff 对中性和不稳定行星边界层的数值研究。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0469%281972%29029<0091:nionau>2.0.co;2) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 全球风暴解析模拟 分辨率为几公里的全球大气模型，使雷暴群和热带风暴无需对流参数化就能出现。 它回答的问题: 当风暴被解析而不是被近似时，大气会怎样表现？ 略去了： 数公里以下的云微物理和湍流仍靠参数化处理，而且运行时间太短，无法研究气候。 运行于：约 10^19 FLOPS 粗略 在最大的机器上花数周，只能模拟几个月。 自： 2008 Satoh 及同事用于全球云解析模拟的非静力二十面体大气模型。 [来源](https://doi.org/10.1016/j.jcp.2007.02.006) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 矿物粉尘的排放与输运 风把荒漠尘埃扬起，吹过海洋并沉降下来，以找出它对辐射、海洋养分和空气质量的影响。 它回答的问题: 有多少沙漠尘埃进入空气，又去了哪里？ 略去了： 起尘阈值取决于土壤和地表性质，而这些性质的测绘很差。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 大气模型中的一个沙尘模块，运行数年。 自： 1994 Tegen 和 Fung 的大气矿物粉尘模型：来源、输送和光学厚度。 [来源](https://doi.org/10.1029/94jd01928) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 城市地表能量平衡建模 街道、屋顶和墙壁被当作一个峡谷，与空气交换热量、水汽和动量，用来预测城市热岛和建筑的制冷需求。 它回答的问题: 为什么城市比周围的乡村更热？ 略去了： 城市被简化为理想化的峡谷，所以建筑细节和交通热量只是近似的。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 大都市上空大气模型中的峡谷方案。 自： 2000 Masson 用于大气模型的、基于物理的城市能量收支方案。 [来源](https://doi.org/10.1023/a:1002463829265) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 热层和电离层建模 100 到 600 公里高度的高层大气，被阳光和粒子加热，其中的风和电流会改变卫星阻力和无线电信号。 它回答的问题: 太阳活动如何改变高层大气和无线电传播？ 略去了： 下边界和来自上方的能量是根据稀疏的数据设定的。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 耦合的高层大气模拟，覆盖数天的空间天气。 自： 1988 Roble、Ridley、Richmond 和 Dickinson 的热层/电离层耦合大气环流模型。 [来源](https://doi.org/10.1029/gl015i012p01325) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ## 水 ### 海洋环流 洋流、涡旋、热量和盐分在全球海洋中的运动。 它回答的问题: 大西洋的巨大翻转洋流是否可能减弱？ 略去了： 混合热量和碳的涡旋大多小于网格，所以它们的作用必须参数化。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 大型集群，一次跨越数十年的运行数周。 自： 1969 Bryan 的第一个全球海洋环流计算机模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 海啸与风暴潮 地震或风暴掀起的波浪，穿越海洋，冲上海岸。 它回答的问题: 水会涨到多高，哪些街道最先被淹？ 略去了： 海岸防御和排水通常被简化到远低于爬高本身的分辨率。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 工作站；一次沿海预警运行数分钟。 自： 1969 Aida 早期为海啸建模的数值实验。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 河流与洪水 雨落在集水区，渗入土中或流入溪流、河流和泛滥平原。 它回答的问题: 这场风暴会引发多大的洪水，在哪里？ 略去了： 土壤和土地利用按集水区取平均，掩盖了真正会发洪水的那块田或那条冲沟。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 笔记本电脑；一个流域的运行需要数分钟。 自： 1966 Crawford 和 Linsley 的 Stanford 流域降雨径流模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[系统动力学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-system-dynamics)精度下限：场 ### 地下水 水在含水层的土壤和岩石中缓慢移动。 它回答的问题: 在水井干涸之前，我们还能抽这个含水层多久？ 略去了： 地下岩石和土壤的性质是根据相隔数百米的钻孔绘制的，所以含水层的大部分是推断出来的。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 笔记本电脑或工作站；每个含水层数分钟到数小时。 自： 1968 Pinder 和 Bredehoeft 早期的含水层有限差分模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 海冰 海洋表面的浮冰，在风、浪和暖意下开裂、堆积、漂移和融化。 它回答的问题: 到夏末，北冰洋还会有多少被冰覆盖？ 略去了： 把由裂开的、起脊的浮冰组成的不均匀区域当作光滑连续的一整片。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 大学或国家集群，与一次海洋运行耦合，数周。 自： 1969 早期漂移的北极海冰计算机模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 海浪预报 风吹过开阔水面，生成并引导涌浪和短浪，通过追踪来预报船舶和海岸的浪高与浪向。 它回答的问题: 明天这里的海面会有多汹涌？ 略去了： 在最陡峭、正在破碎的浪峰上表现很差，而这些对海上安全最重要。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 国家预报中心的集群，每天运行数次。 自： 1956 沿袭战时涌浪预测方法的早期数值波浪预报。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 洪水淹没建模 河流或风暴带来的水在地形网格上漫过泛滥平原，绘制水深和淹没范围，用于保险和规划。 它回答的问题: 洪水来时，哪些街道和田地会被淹？ 略去了： 误差主要来自地形精度和入流过程线，而不是数值方法。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 河流流域的二维浅水或栅格模型。 自： 2000 Bates 和 De Roo 用于洪水淹没模拟的简单栅格模型。 [来源](https://doi.org/10.1016/s0022-1694%2800%2900278-x) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[元胞自动机](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-cellular-automata)精度下限：场 ### 沿海和河口环流建模 潮汐、河流和风在贴地形网格上推动水、盐和泥沙穿过海湾和河口。 它回答的问题: 潮汐和河流如何在海岸沿线混合水体？ 略去了： 小尺度的混合和水深测量误差限制了近岸的精度。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 时长一整年的三维区域模型。 自： 1987 Blumberg 和 Mellor 对三维沿海海洋环流模型的描述。 [来源](https://doi.org/10.1029/co004p0001) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 海洋垃圾与拉格朗日漂移建模 虚拟粒子随模拟的或观测到的洋流漂送，以找出漂浮的塑料、石油或幼体去了哪里。 它回答的问题: 一段海岸漂出的塑料最后去了哪里？ 略去了： 风压、波浪漂移以及颗粒的下沉或破碎，人们知之甚少。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 数百万个粒子被一整年的洋流输运。 自： 2012 van Sebille、England 和 Froyland 根据观测到的表层漂流浮标研究海洋垃圾带的起源、动力学和演变。 [来源](https://doi.org/10.1088/1748-9326/7/4/044040) [粒子与 N 体](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-particles)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 石油和天然气油藏模拟 石油、天然气和水流过岩石储层的孔隙流向油井，用来规划钻井并预测能采出多少。 它回答的问题: 一个油田能产多少油，油井应该打在哪里？ 略去了： 油井之间的岩石性质是由稀疏的数据推断的，所以不确定性通常大于数值误差。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 在有数百万个单元的地质模型中做多相流。 自： 1955 Peaceman 和 Rachford 对抛物型和椭圆型微分方程的数值解，是早期油藏模拟器的基础。 [来源](https://doi.org/10.1137/0103003) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 冰川均衡调整与海平面指纹 冰盖融化时地壳回弹、海洋重新分布，用来预测区域海平面变化和重力场。 它回答的问题: 为什么冰融化时，海平面在有些地方下降，在另一些地方上升？ 略去了： 板块下方的地幔黏度约束得很差，而且各地区不一样。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 在球面上求解的黏弹性地球模型。 自： 1976 Farrell 和 Clark 对冰期后海平面的计算。 [来源](https://doi.org/10.1111/j.1365-246x.1976.tb01252.x) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 地质二氧化碳封存模拟 注入的二氧化碳在含盐岩层中扩散、上升并溶解，数百年间追踪盖层封存、毛细作用和矿物反应对它的捕获。 它回答的问题: 气体会留在地下吗，它会去哪里？ 略去了： 钻孔下方的岩石只能从少数几口井和勘测中得知，所以渗透率和断层是带着很大的不确定性猜测的。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 在集群上花数周，才能做一个跨数千年的流域尺度模型。 自： 2002 劳伦斯伯克利对地质封存二氧化碳的数值程序的比对。 [来源](https://doi.org/10.2172/813566) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 地下反应输运 水携带化学物质穿过岩石或土壤，同时矿物溶解、沉淀并交换离子，与水流一起求解。 它回答的问题: 含水层或处置库的化学过程和水流通道，如何随时间相互改变？ 略去了： 在实验室测得的反应速率，被用在了地下反应表面积未知的岩石上。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 在集群上，一个三维野外场地需要数天。 自： 1985 Lichtner 用于热液系统中耦合化学反应和质量输运的连续介质模型。 [来源](https://doi.org/10.1016/0016-7037%2885%2990172-3) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ## 固体地球与地貌 ### 地幔对流与板块构造 炽热的岩石在行星内部缓慢蠕动，历时数亿年，带着上面的板块移动。 它回答的问题: 为什么地球有板块构造，而它的邻居没有？ 略去了： 一次运行数百万个模拟年，所以无法同时展示单次地震。 运行于：约 10^15 FLOPS 粗略 大学集群，一次长时间的运行数周。 自： 1974 McKenzie、Roberts 和 Weiss 首个地幔对流数值模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 地震与地震波 断层破裂，以及波在地壳中传播使地面震动。 它回答的问题: 如果那条断层破裂，这座城市会震得多厉害？ 略去了： 破裂的起点和断层确切的粗糙度，仍是假定的，而不是事先已知的。 运行于：约 10^16 FLOPS 粗略 国家或大学的集群，一次大型断层破裂数天。 自： 1968 Alterman 和 Karal 早期的地震波有限差分模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 火山喷发与熔岩流 岩浆上升、喷发，并以熔岩、火山灰或高速流动的热云的形式向下流动。 它回答的问题: 如果火山喷发，哪些村庄在路径上？ 略去了： 无法预测喷发何时开始，只能说喷发已经开始之后会发生什么。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 工作站或小型集群，每个情景数小时。 自： 1980 早期熔岩从火山口向下流动的计算机模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[元胞自动机](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-cellular-automata)精度下限：场 ### 地貌演化 河流切出山谷、山坡蠕动、海岸被侵蚀，历时数千年到数百万年。 它回答的问题: 这片地貌是怎样形成现在的样子的？ 略去了： 把数百万年压缩进一次运行，所以任何单次风暴或落石都会被抹平。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 工作站；一百万年的地貌需要数天。 自： 1991 Willgoose 等人早期的地貌演化计算模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[元胞自动机](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-cellular-automata)精度下限：场 ### 野火蔓延 火在燃料、地形和风之间一格一格地推进。 它回答的问题: 六小时后火线会在哪里？ 略去了： 风是真实火灾行为最大的驱动因素，通常被简化成稳定的平均值。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 工作站或笔记本电脑；一条蔓延的火线数分钟。 自： 1972 Rothermel 的火势蔓延方程，很快就被计算机化用于预报。 [运行交互式模型](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/run#toy-forestfire) [元胞自动机](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-cellular-automata)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 滑坡与泥石流 一面由土壤、岩石或泥浆构成的斜坡垮塌并向下移动，追踪它如何加速、扩散并掩埋下方的地形。 它回答的问题: 这处斜坡一旦失稳，会滑多远，速度多快？ 略去了： 斜坡真正失稳的那一刻，仍然比失稳之后会发生什么更难预测。 运行于：约 10^13 FLOPS 粗略 工作站或小型集群，每个边坡情景数小时。 自： 1980 早期对失稳斜坡的计算机滑移距离模型。 [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[粒子与 N 体](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-particles)精度下限：场 ### 基于物理的地震危险性 地震破裂和波传播的模拟取代经验衰减规则，给出每个场地的震动。 它回答的问题: 对每一种可能的破裂，这里的地面会震得多强？ 略去了： 需要已知的速度模型，而且高频难以分辨。 运行于：约 10^18 FLOPS 粗略 许多种破裂情景，每一种都是一次三维波动模拟 自： 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) [来源](https://doi.org/10.1007/s00024-010-0161-6) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 地球发电机模拟 地核中液态铁的对流产生并维持磁场，包括它随机的倒转。 它回答的问题: 地核如何产生磁场，又为什么会翻转？ 略去了： 黏度和电导率的取值与真实相差甚远，所以流动比地球内部平滑得多。 运行于：约 10^18 FLOPS 粗略 在超级计算机上花数月，得到的发电机仍然运行在远离类地的条件下。 自： 1995 Glatzmaier 和 Roberts 对地磁场倒转的三维自洽模拟。 [来源](https://doi.org/10.1038/377203a0) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 全波形地震反演 地震波被反复送过一个试探性的地球模型，不断调整，直到合成波与记录波吻合，以此对岩石结构成像。 它回答的问题: 从穿过地下的波的视角看，脚下的岩石是什么样子？ 略去了： 除非起始模型很接近，否则反演可能锁定在错误的解上。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 优化循环中的数千次波模拟。 自： 1984 Tarantola 在声学近似下对地震反射数据的反演。 [来源](https://doi.org/10.1190/1.1441754) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 谱元法地震波传播 地震波在地壳或整个地球的三维模型中传播，用顺应地形和分层的高阶单元。 它回答的问题: 波如何在真实的、凹凸不平的地球中传播？ 略去了： 地球模型在小尺度结构和衰减上不确定，所以短周期的结果不太可靠。 运行于：约 10^17 FLOPS 粗略 解析几秒周期的全地球运行。 自： 1998 Komatitsch 和 Vilotte 用于二维和三维结构地震响应的谱元法。 [来源](https://doi.org/10.1785/bssa0880020368) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 地震周期模拟 一条断层被板块运动缓慢加载，摩擦时而卡住时而滑动，模拟它经历许多次安静积累与突然破裂的循环。 它回答的问题: 地震如何在一条断层上历经数百年反复发生？ 略去了： 摩擦定律是在实验室里得出的，却被外推到从未测量过的深度和速度。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 对数千年的速率-状态断层周期做模拟。 自： 1986 Tse 和 Rice 对地壳地震不稳定性与摩擦滑动性质随深度变化之间关系的研究。 [来源](https://doi.org/10.1029/jb091ib09p09452) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 ### 随机地震目录模型 根据一个统计模型生成的合成地震序列，其中每次震动都会提高余震的概率，用来预测地震的聚集和危险性。 它回答的问题: 大地震之后，发生余震的可能性有多大？ 略去了： 该模型捕捉了统计上的聚集，但没有断层应力的物理。 运行于：约 10^6 FLOPS 粗略 随机目录成本很低，一个长集合可以在工作站上运行。 自： 1988 Ogata 的地震发生统计模型和点过程的残差分析。 [来源](https://doi.org/10.1080/01621459.1988.10478560) [随机过程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-stochastic)[蒙特卡罗](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-monte-carlo)精度下限：规则 ### 陆面模型 土壤、植物和空气之间水、热和二氧化碳的交换，被写成大气和气候模型的一个地表组件。 它回答的问题: 植物和土壤如何控制地面与空气之间的热量和水分流动？ 略去了： 植被每个单元只用几个参数描述，土壤中的水分运动也被高度简化。 运行于：约 10^12 FLOPS 粗略 气候模型中每个网格单元内的一维气柱。 自： 1986 Sellers、Mintz、Sud 和 Dalcher 用于大气环流模式内部的简单生物圈模型。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0469%281986%29043<0505:asbmfu>2.0.co;2) [微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)[连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)精度下限：场 ### 火与大气耦合模型 火线和它产生的风被放在一起求解，所以火的热量会把空气吸进来，改变气流，反过来又改变火的蔓延方式，并抛出火星和烟。 它回答的问题: 火灾如何重塑驱动它的风？ 略去了： 燃烧和燃料用简单的速率定律表示，所以树冠火和飞火之类的极端行为只能粗略地捕捉。 运行于：约 10^14 FLOPS 粗略 在集群上，一场分辨率为数十米的大火需要数天。 自： 1996 Clark、Jenkins 和 Coen 对火线动力学的大气-火耦合模型。 [来源](https://doi.org/10.1175/1520-0450%281996%29035%3C0875:ACAMCF%3E2.0.CO;2) [连续场](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-continuum)[微分方程](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/methods#m-equations)精度下限：场 [◂ 天文学与宇宙学](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/astronomy-cosmology)[化学与材料 ▸](https://simulation-hypothesis.com/zh/simulations/chemistry-materials)