Η Εξέλιξη των Ωκεανικών Μοντέλων

Από τον Conor Purcell • 19 Μαρτίου 2018

Σήμερα, τα πράγματα έχουν μετακινηθεί.

Οι μοντελιστές ωκεανών είναι πολύ πιο κοντά στην προσομοίωση των ακριβών αναπαραστάσεων του πραγματικού ωκεανού και τις τελευταίες δεκαετίες τα μοντέλα τους έχουν γίνει απίστευτα ρεαλιστικές, με εφαρμογές που κυμαίνονται από τις καιρικές συνθήκες και τις προβλέψεις των κυμάτων έως την έρευνα για το κλίμα και την παλαιοκλίμακα και, αεροσκάφος.

Στο GEOMAR Κέντρο Helmholtz για την έρευνα του ωκεανού Kiel της Γερμανίας, ο Δρ. Jonathan Durgadoo εργάζεται με ωκεάνια μοντέλα για σχεδόν 10 χρόνια. Την εποχή εκείνη έχει δει μια τάση για αύξηση του ρεαλισμού στα μοντέλα που χρησιμοποιεί.

"Με ρεαλιστική εννοούμε την ικανότητα των μοντέλων να προσομοιώνουν τις διαδικασίες στον ωκεανό που παρατηρούνται και είναι γνωστές", λέει. "Καθώς οι υπολογιστές γίνονται πιο γρήγορα, μπορούν να συμπεριληφθούν περισσότερες ωκεάνιες διαδικασίες που συμβαίνουν σε διαφορετικές κλίμακες. Και όπως καταλαβαίνουμε ολοένα και περισσότερο τις διαδικασίες των ωκεανών, μπορούμε να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε τρόπους να τους συμπεριλάβουμε στα μοντέλα μας ».

Συγκεκριμένα, τα μοντέλα των ωκεανών έχουν γίνει πιο ρεαλιστικά τα τελευταία χρόνια λόγω της ικανότητάς τους να επιλύουν τις δονήσεις. Οι Eddies είναι χαρακτηριστικά μετωπιαίας στροβιλισμού που προκαλούνται από αναταράξεις στον ωκεανό. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας περίπου, καθώς η υπολογιστική ισχύς και η αποθήκευση δεδομένων έχουν αυξηθεί εκθετικά, τα μοντέλα ωκεανού για την επίλυση των φαινομένων έχουν γίνει πιο διαδεδομένα.

Ο Durgadoo εξηγεί ότι στο μοντέλο των ωκεανών, το μέγεθος έχει σημασία. "Οι ωκεανογράφοι μιλούν γενικά για κλίμακες στο διάστημα και στο χρόνο", λέει. "Χωροταξικά, οι διαδικασίες στον ωκεανό εμφανίζονται σε κλίμακες που κυμαίνονται από χιλιοστά έως χιλιάδες χιλιόμετρα και προσωρινά μέχρι αρκετούς αιώνες".

Η λέξη mesoscale αναφέρεται σε δομές της τάξης των δεκάδων έως εκατοντάδων μιλίων. Αυτές οι δομές, οι οποίες περιλαμβάνουν δονήσεις, παίζουν πολλές διαφορετικές λειτουργίες στον ωκεανό. Για παράδειγμα, οι βράχοι συλλαμβάνουν μάζες νερού σε ορισμένες τοποθεσίες και τις μεταφέρουν σε άλλες και μπορούν επίσης να παγιδεύσουν πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά νερό το οποίο τοπικά προάγει τη βιολογική δραστηριότητα. Έτσι, για να επιτύχουν τα μοντέλα των ωκεανών ρεαλισμό σε αυτές τις κλίμακες, πρέπει να εκπροσωπούνται οι δαιδαλώδεις και άλλες δομές.

"Αυτό δεν σημαίνει ότι μοντέλα που δεν προσομοιώνουν αυτές τις δομές είναι άχρηστα", προσθέτει ο Durgadoo. «Πρέπει να κατανοήσουμε και να εκτιμήσουμε τη χρησιμότητα των μοντέλων μέσα στα όριά τους».

Το πρόβλημα με την ανάλυση μοντέλου

Η μοντελοποίηση του παγκόσμιου ωκεανού είναι εγγενώς δύσκολη. Σε όλη την ιστορία της ανάπτυξης των ωκεάνιων μοντέλων, από τα πρώτα μοντέλα που χρησιμοποιούν πολύ βασικά υπολογιστικά προϊόντα με σύγχρονα πρότυπα, μέχρι τους σύγχρονους μεγαλοπρεπείς μεγιστάνες «εκατομμυρίων γραμμών κώδικα», οι ερευνητές αγωνίστηκαν να αντιμετωπίσουν ζητήματα της ανάλυσης δηλαδή της γεωγραφικής κλίμακας στην οποία τρέχει ένα μοντέλο - όπου το μικρότερο είναι το ψήφισμα του δικτύου σας, τόσο καλύτερη είναι η εκπροσώπηση του ωκεανού.

Σύμφωνα με τον καθηγητή Σεργκέι Ντανίλοφ, ο οποίος εργάζεται για την ανάπτυξη μοντέλων στον ωκεανό στο Τμήμα Κλιματικής Δυναμικής του Ινστιτούτου Alfred Wegener, Bremerhaven, Γερμανία, η κύρια πρόκληση ήταν πάντα να κάνουμε τα μοντέλα να αναπαράγουν τα χαρακτηριστικά μάζας νερού και την κυκλοφορία που παρατηρούμε στην πραγματική ωκεανός.

"Οι κινήσεις σε μικρές χωρικές και χρονικές κλίμακες δεν μπορούν να διαμορφωθούν και ως εκ τούτου παραμετροποιούνται", λέει. "Αυτό δημιουργεί σφάλματα, τα οποία μπορούν να συσσωρευτούν με την πάροδο του χρόνου. Έτσι, οι μοντελιστές προσπαθούν να τις μειώσουν αυξάνοντας την ανάλυση, βελτιώνοντας την πιστότητα των παραμετροποιήσεων ή βελτιώνοντας τους αριθμητικούς αλγόριθμους. "

Αυτό το συναίσθημα αντανακλάται στον πρώην ναυτιλιακό βιβλιογράφο του MIT Carl Wunsch «Σύγχρονη Παρατηρητική Φυσική Ωκεανογραφία», όπου ο συγγραφέας εξηγεί ότι κανένα μοντέλο δεν έχει τέλεια επίλυση. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένες διαδικασίες παραλείπονται πάντα - ένα εμπόδιο που δεν αντιμετωπίζει η φύση. "Ο χρήστης πρέπει να καθορίσει εάν η παράλειψη αυτών των διαδικασιών είναι σημαντική", γράφει ο Wunsch. "Ακόμη και αν ήταν δυνατόν να αναπαραστήσουμε απόλυτα αριθμητικά τις υποτιθέμενες εξισώσεις, υπάρχουν πάντα σφάλματα στους κώδικες υπολογιστών."

Η αναζήτηση για MH370

Ωστόσο, οι επιστήμονες που ειδικεύονται στην ανάπτυξη μοντέλων ωκεανού έχουν κάνει μαζικά βήματα στην προσπάθειά τους για τελειότητα. Όταν ένα αεροπλάνο (μέρος μιας πτέρυγας αεροπλάνου) που έλειπε από την πτήση των Μαλαισιανών πτήσεων MH370 εμφανίστηκε στο νησί La Réunion στον Ινδικό Ωκεανό τον Ιούλιο του 2015, ο Δρ. Durgadoo και οι συνεργάτες του είχαν μια λαμπρή ιδέα. Χρησιμοποιώντας το υπερσύγχρονο μοντέλο των ωκεανών, υποστήριξαν ότι πρέπει να είναι δυνατόν να βοηθήσουμε να μάθουμε πού είχε καταρρεύσει το αεροπλάνο.

"Το απλό γεγονός ότι τα θραύσματα που ανήκουν στο MH370 βρέθηκαν σε παραλίες του Ινδικού Ωκεανού, έδειξαν ότι έμειναν επί μήνες στην επιφάνεια του ωκεανού", λέει. "Θεωρητικά, δεδομένης της σωστής πληροφόρησης, οι τροχιές θα μπορούσαν να προσομοιωθούν με την ελπίδα να εντοπιστεί η πιθανή θέση εκκίνησης του flaperon και, ως εκ τούτου, να ρίξει φως στη θέση του υποβιβασμένου αεροσκάφους".

Και ακριβώς αυτό έκαναν. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο τους και εντοπίζοντας τα συντρίμμια χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται Lagrangian ανάλυση, οι ερευνητές κατάφεραν να εκτιμήσουν τη θέση του αεροπλάνου. Ο Durgadoo περιέγραψε τη διαδικασία σε ένα άρθρο του 2016. "Η ιδέα ήταν ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα ωκεάνιο μοντέλο για να εντοπίσουμε το flaperon πίσω εγκαίρως για να καθορίσουμε τη θέση του crash της πτήσης. Αλλά ο ωκεανός είναι ένα χαοτικό μέρος. δεν έχει νόημα η προσομοίωση της διαδρομής ενός ενιαίου «εικονικού πτερυγίου» προς τα πίσω στο χρόνο. Ως εκ τούτου, η στρατηγική «δύναμη σε αριθμούς» είναι αυτή που χρησιμοποιήσαμε όταν τοποθετήσαμε σχεδόν πέντε εκατομμύρια εικονικά μοντέλα φλορνόνων γύρω από τη νήσο Ρεουνιόν κατά τη διάρκεια του μοντέλου μήνα του Ιουλίου 2015. "

Και τα αποτελέσματά τους ήταν αξιοσημείωτα. Σύμφωνα με τον Durgadoo, "ενώ είναι αδύνατο να εντοπιστεί μια ακριβής τοποθεσία, διαπιστώσαμε ότι η προέλευση του flaperon είναι πιθανόν να είναι στα δυτικά και όχι στα νοτιοδυτικά της Αυστραλίας. Το πιο σημαντικό είναι ότι, με βάση την ανάλυσή μας, η πιθανότητα να ξεκινήσει το ταξίδι της από την περιοχή αναζήτησης προτεραιότητας είναι μικρότερη από 1,3%. "

Η ομάδα χρησιμοποίησε το μοντέλο τους για να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι οι προσπάθειες αναζήτησης κατά μήκος της ζώνης προτεραιότητας ήταν πολύ απίθανο να επιτύχουν την επιτυχία στην εύρεση του αεροσκάφους. Πράγματι, με το αεροπλάνο που λείπει σήμερα, η μοίρα της πτήσης MH370 παραμένει μυστήριο.

[Σημείωση του συντάκτη: Από τη συγγραφή του συγγραφέα, η αναζήτηση για MH370 έχει ξαναρχίσει]

Η τεχνολογία οδηγεί πρότυπα μοντέλων

Για τα μοντέλα των ωκεανών να έχουν φτάσει σε αυτό το επίπεδο πολυπλοκότητας σήμερα, η τεχνολογία που οδηγεί την ανάπτυξή τους έπρεπε να ήταν ευρεία. από τις παρατηρησιακές μονάδες που αναπτύσσονται στη θάλασσα για την απόκτηση ακριβών δεδομένων, στους υπερσύγχρονους υπερσύγχρονους υπολογιστές που χρησιμοποιούνται για τις μελλοντικές προβλέψεις.

"Οι εξελίξεις στην πλευρά του υλικού του υπολογιστή επιτρέπουν σε κάποιον να χρησιμοποιήσει περισσότερους πόρους", λέει ο καθηγητής Danilov, "που σημαίνει ότι μπορούμε να επιλύσουμε ρητά διαδικασίες που είχαν παραμετροποιηθεί προηγουμένως. Υπάρχει ελπίδα ότι οι νέες υπολογιστικές τεχνολογίες που περιλαμβάνουν μονάδες GPU - μονάδες επεξεργασίας γραφικών - θα οδηγήσουν σε αύξηση της απόδοσης του μοντέλου. "

"Από φυσικής πλευράς," προσθέτει, "νέα δεδομένα καθίστανται διαθέσιμα μέσω της σύγχρονης τεχνολογίας, συμβάλλοντας στην καλύτερη συντονισμό ή περιορισμό των παραμετροποιήσεων που χρησιμοποιούνται στα μοντέλα. Η δορυφορική υψομετρία και οι πλωτήρες Argo έχουν ιδιαίτερη σημασία. "

Αλλά ο Danilov επισημαίνει ότι η πρόοδος στην υπολογιστική ισχύς είναι ο κύριος οδηγός επί του παρόντος. Η λειτουργία παγκοσμίων μοντέλων σε υψηλή ανάλυση - περίπου ένα χιλιόμετρο μεγέθους πλέγματος - είναι ήδη δυνατή, πράγμα που σημαίνει ότι οι διαδικασίες σε αυτό το επίπεδο έχουν επιλυθεί.

"Τα μοντέλα που επιλύουν κινήσεις μεσαίας κλίμακας θα γίνουν πραγματικότητα στο εγγύς μέλλον", λέει. "Αλλά τα μοντέλα αυτού του μοντέλου εξακολουθούν να είναι υπερβολικά υπολογιστικά δαπανηρά, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζονται πολύ χρόνο για να τρέξουν και να δημιουργήσουν πολλά δεδομένα. Επομένως, πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ του τι είναι δυνατόν κατ 'αρχήν και τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ερευνητικό εργαλείο. "

Στην πραγματικότητα πιστεύει ότι το μέλλον της μοντελοποίησης των ωκεανών μπορεί να ακολουθήσει μια παρόμοια πορεία προς εκείνη της πρόβλεψης του καιρού, όπου εκτελούνται σύνολα μοντέλων για να αποκτήσουν μια αίσθηση για πολλαπλά δυνητικά μελλοντικά κράτη του ωκεανού - όχι μόνο ένα.

"Το πρόβλημα είναι," λέει, "ότι ακόμα και με τέλεια αρχικά δεδομένα, υπάρχει ένας ορίζοντας προβλεψιμότητας, επειδή μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η πρόβλεψη γίνεται πιο δύσκολη. Ο ωκεανός έχει περίπλοκη εσωτερική δυναμική - που είναι χαοτική - και έτσι ένας αριθμητικά προσομοιωμένος ωκεανός θα αποκλίνει από τις παρατηρήσεις με την πάροδο του χρόνου ".

"Καλύτερα αριθμητικά στοιχεία και παραμετροποίηση θα βελτιώσουν την προβλεπόμενη μέση κατάσταση και τη μεταβλητότητα του ωκεανού," λέει. "Αλλά η συνολική υπολογιστική προσπάθεια είναι αρκετά μεγάλη."

"Έτσι, η ικανότητά μας να προσομοιώνουμε τον ωκεανό θα βελτιωθεί, αλλά σταδιακά".

(Όπως δημοσιεύθηκε στην έκδοση Mach 2018 του Reporter Marine Technology )