【技术创新】科学家利用超级计算机重现龙卷风
来源: https://cacm.acm.org/news/214840-a-scientist-and-a-supercomputer-re-create-a-tornado/fulltext
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2017-06-27

2017年5月15日

当龙卷风完整形成时,仿真模型揭示了组成龙卷风的多个结构形式,包括沿气流方向涡流(SVC),该涡流被认为是龙卷风活动的主要驱动力(图中显示为黄色部分)。图片提供:美国威斯康辛大学麦迪逊分校

 

龙卷风季节迅速接近或已经途径美国易受攻击的州,新型超级计算机仿真模型给予气象学家研究巨大暴风雨和龙卷风结构前所未有的洞察力。其中最近一个仿真模型再现了龙卷风生成的超级细胞(supercell)雷暴,2011年发生的这一雷暴在中部大平原留下了一条破坏路径。

美国威斯康星大学麦迪逊分校气象卫星联合研究所(CIMSS)科学家Leigh Orf是该仿真模型的负责人。他领导的计算机模型小组研究人员揭示出龙卷风内部移动部分和产生它们的超级细胞雷暴。这个团队开发了创造超级细胞雷暴深度可视化专业技术和辨别这些超级细胞雷暴及最终形成龙卷风原因的能力。

据美国国家海洋与大气管理局数据,由于美国占全球龙卷风数量的首位,每年有超过1200个龙卷风灾害产生,所以此项工作具有特别意义。

2011年5月,在为期4天集中风暴短时间内,几个龙卷风灾害发生在俄克拉荷马州地区。一个接着一个,超级细胞风暴催生了漏斗云,造成重大财产和生命损失。5月24日,一个特别的龙卷风,注册级别为EF-5的“El Reno”——是增强型Fujita规模类别龙卷风中最强的1种。它在地面上保持了近2个小时,留下了一条长达63英里(100公里)的毁灭之路。

Orf最新仿真模型再现了El Reno龙卷风,模型显示出形成主要龙卷风的众多“微小龙卷风”高分辨率影像。随着漏斗云的发展,这些微小龙卷风开始合并,增加龙卷风强度,风速加剧。最终,新的结构形成,包括Orf称之为沿气流方向涡流(SVC)。

Orf指出,SVC由驱动整个系统的吸入空气上升气流的雨冷凝形成。这被认为是维持异常强烈风暴的重要部分,但有趣的是,SVC从不与龙卷风接触。准确的说,它围绕龙卷风向上流动。

基于实际观测数据,研究小组能够重现当时存在风暴的天气状况,见证龙卷风形成的步骤。从短期操作的模型预报,进行大气探测形式结构、垂直剖面温度、气压、风速和水分数据归档。通过合理方式进行数据整合,这些参数可以创造出适合龙卷风形成的条件,称为龙卷风成因。

根据Orf阐释,龙卷风的生成需要几个“必要”部分,包括大气中充足的水分,不稳定性和风切变现象,以及一个空气向上移动触发器因素,好似一个温度或湿度差异性现象。但是,仅仅是存在这些部分的整合并不意味着龙卷风必然形成。

Orf表示,事实上,在许多风暴产生时具有所有的形成龙卷风因素的条件,但最后什么都没发生,这种情况并非不常见。追踪龙卷风的风暴追逐者们很熟悉大自然的不可预见性,此模型同样表明了类似问题。

Orf解释,不同于通过编写代码提供一致结果的典型计算机程序,在这种复杂性水平上建模存在内在的变异性,由于真实大气中也展现出这种变异性,所以他在研究中得到鼓励。

成功建模可能受制于输入数据的质量和计算机处理能力的限定。为实现更高层次的模型精度,获取在龙卷风形成之前大气状况即时数据是理想的,但它仍可能是一个困难和危险的任务。结合这些风暴复杂性特点,可能还有其他大气中的敏感因素(目前未知因素)影响超级细胞是否能够形成龙卷风。

进行龙卷风仿真数字解析达到产生具有价值信息的足够详细的程度需要巨大处理能力。幸运的是,Orf已经获得使用专门为解决复杂计算需求设计的高性能超级计算机运算的权利:伊利诺伊大学香槟分校国家超级计算应用中心蓝色水域超级计算机。

总的来说,他们的EF-5级别龙卷风仿真计算用了超过3天的运行时间。相比之下,传统台式电脑需要几十年才能完成这种类型的处理。

展望未来,Orf正致力于开展下一阶段研究工作,并继续与全国科学家和气象学家分享小组研究成果。该小组研究被刊登在2017年1月《美国气象学会公报》封面。

Orf指出,虽然EF-5仿真模拟工作已经完成,但是研究不会停止。研究人员将继续改进模型和分析结果,以便更好地了解这些危险和强劲的龙卷风系统。

 

原文题目:

A scientist and a supercomputer re-create a tornado

资料来源:

https://cacm.acm.org/news/214840-a-scientist-and-a-supercomputer-re-create-a-tornado/fulltext

 

(王化编译,殷永元审核)