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公司 2013-3-26 20:19

预测恶劣天气,我们需要超级计算机

“广东省政府应急办、省气象局发短信提醒:近期我省雷电、大风、龙卷风、冰雹、强降水等恶劣天气多发。如遇到,请躲进安全建筑物,远离树木、广告牌、简易搭建物等。”

进入三月,每次收到这短信,总有一种错觉:2013 才是世界末日。在气象部门工作的朋友最烦别人问她一个问题:“你们天气预报怎么都不准的?”也许正因为预测技术瓶颈难以突破,气象部门才一次性覆盖了未来半年可能发生的恶劣天气,来者不善,什么时候来说不准。

这也不能怪一个部门或机构,天气预报在全球范围内都是一个难题。The Verge 介绍,今时今日,科学家可以通过超级计算机等途径,纳入数百万微小的变量,模拟地球几百年后的气候变化,但他们仍无法得知云的秘密。

云是令人难以捉摸的现象,其变化更是牵一动百。它们控制着降水,实现着全球的水循环,还影响着气候变暖和变冷,甚至还是全球循环风的驱动者。但人们对云知之甚少,比如它们为何在此处形成?为何有些是集体活动?为什么它偏要在这个点下雨?

华盛顿大学大气科学家 Yen-Ting Hwang 告诉 The Verge:“气候将如何变暖取决于未来的云将如何变化。而云特别难以模拟。”

加州大学伯克利分校地球与行星科学教授 David Romps 从 2011 年开始率领六人团队,研究云动力学。他经常前往劳伦斯·伯克利国家实验室,那里正是美国能源部官方超级计算机部门所在地。最近,Romps 的团队在研究垂直运动,即云的上升速度。

“这是一个基础的信息,但很难获得,因为直到最近,人们才有念头将飞机开到高对流层,而我们对此没有合适的指南。”他表示。

除此之外,还有不少的云动力学和大气科学研究者从事研究工作。“我们很清楚我们正与时间竞赛,不管我们是否喜欢,我们都将面临二氧化碳增多的结果。但我们可以在这些结果出来前先一步得到一些预测。”Romps 坦言。

而这场与时间的竞赛需要借助一些重要的工具,大气环流模型就是其中的一个。这个模式具有复杂的数学方程,借助超级计算机来模拟整个地球的自然环流。联合国和大部分科学家都使用这个模型来预测气候变化。

然而在模型中,大部分的大气现象仿真面积都超过方圆 100 公里。而大部分云的运动范围要小得多,约 1 公里,相对仿真的大气现象,云的变化范围太小了,以致于无法建立局部全面的模型。

为此,他们必须借助更小范围的模型来进行云的仿真。比如对流参数化,采用于卫星和飞机所收集的观测数据进行建模。或者使用高分辨率数值模拟,它可以将云科学转化为视频游戏。在这种方法中,科学家扮演着上帝的角色,呼风唤雨,从而可以随时观测到云运动中发生的一切——气压、风、水。

当这些小模型越来越精确,利用它们可以提高大范围模型的精确度。而大范围模型已表明,随着大气中二氧化碳数量增至工业化以前的两倍,全球平均温度将上升 1.5~4.5 摄氏度。这个可能将在本世纪末成真,但科学家希望能够通过理解云运动规律,最大程度地缩小气温变化范围。

我想,会不会有一天,我们手机里的芯片也足够强大,能够支持观测身边湿度、压强、温度的变化,传输数据至云端,从而使科学家拥有更多详细的参数变量,完善模型,实现更准确的预测?

 

题图来自:bigthink

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