当新闻在2014年3月发布时,马来西亚航空公司航班MH370已经失踪,Jonathan Durgadoo与我们其他人一起看着震惊。波音777 - 200年代曾出发过北京吉隆坡,在马来西亚和越南之间的一半意外转向西部。起飞后的一个小时,飞机从泰国西南部的安达曼海雷达消失了。船上有239人。

大约16个月后,飞机的一块碎片—一个被称为突破翼的铰链的翻盖—was found on Ré西部印度洋的联盟岛。 Durgadoo是德国大使亥姆霍兹中心的海洋发动机,德国海洋研究中心,迅速意识到他能够为搜索努力做出贡献。如果他的团队可以在飞机的时间内描述印度洋中的水的运动’当碎片被冲洗碎片时,消失了é联合岛,他们可能能够跟踪其旅程和领导调查人员到崩溃现场。

“从海洋学的角度来看,问题很简单,但难以回答,” Durgadoo says. “我们可以及时跟踪Flaperon,以建立飞机坠毁的地方吗?如果是这样,那么该位置是否会与优先搜索区域一致? ”

跟踪Flaperon,Durgadoo’在16个月的时间内,S团队需要在印度洋中的一个数据集的电流,在空间或时间没有间隙。在这种广泛的面积和长时间的观测数据不可用;相反,团队决定使用海洋的高分辨率模型。

在强大的超级计算机上计算了使用流体运动的数学方程来描述水的运动。该模型将海洋划分为3D容量元素的网格,并计算研究人员选择的每次步骤之间的立方体之间的水。杜尔加杜’S团队选择了一个模型,水平网格长度为一度的程度—每个方向约9公里。

“海洋模型为我们提供了一贯的数据,整个时间段,遍布印度洋,”Durgadoo说。然后,他们使用数据从2015年7月到飞机将虚拟物体模拟虚拟对象’S 2014年3月消失。总之,杜尔加杜多瓦和他的团队推出了近500万维虚拟的Flaperons,并从岛上追踪他们可能的旅程。模拟导致近500万可能的轨迹,而是通过制定某些假设,例如飞机可能从最后一个已知的位置开始最多500公里,因此研究人员能够将结果薄达约80万可能的起点。

这些点仍然覆盖了数千平方公里的东南印度洋,但这主要是搜索团队正在寻找的不同区域。根据模型的说法,Flaperon在澳大利亚西南部的海洋斑点中开始旅程的概率,其中崩溃调查人员搜索小于1.3%。 Flaperon的可能起源—因此,假设它在与水的冲击发生冲击的情况下,崩溃部位—杜尔加杜说,北方北方。

杜尔加杜’在海洋上追踪两米长的FlaperoN的工作,在海洋模型的空间分辨率下,不可能实现两米长的普拉索。在过去几十年中,计算能力的增加刺激了使用更严格的网格的模型的开发,因此可以在100公里或更小的阶段捕获海洋的运动。在这种规模,可以建模旋转,循环电流。具有高足够高分辨率的海洋模型来表示这些漩涡可以考虑体积流量,温度和盐度等参数,因此可以再现比具有较低分辨率的模型更新的海洋行为。

高分辨率海洋模型的出现提出了关于使用具有较粗分辨率的模型的问题,特别是对于未来几十年和更远的气候预测。每次气候投影都是模拟的结果,它使用世界各地各种研究中心开发的模型。这些模型寻求从冰区(地球)的地球系统的每个组件合并和耦合’S冰盖的地区)和大气和海洋的生物圈。由于气候预测的准确性取决于该模型的每个部件的表现如何代表现实,因此将海洋模型与气候模拟更高的空间分辨率结合到气候模拟中,应该更好地了解在未来几十年中的气候可能会如何变化(见Q&一种)。但是在更高分辨率下建模携带成本,可能不是改善海洋模拟的唯一方法。

目前的模拟

“Climate models don’T正确模拟了全球海洋的许多方面,”佛罗里达州迈阿密大学的物理海洋人士说Lisa Beal。特别是,她对西部边界电流系统感兴趣,这在海洋盆地的西侧深处,狭窄,快速流动的电流。这些电流从热带地带到杆子携带巨大的热量,对全球气候产生了很大影响。但到目前为止,她说,他们尚未在水上政府间关于气候变化(IPCC)上报告的气候预测的模型中正确模拟。

小组’最近的报告通常使用大约1度分辨率的海洋模型。这是因为模型必须模拟海洋,大气,陆和冰,因为耦合系统彼此送回,并且必须在200年的时间内模拟变化。即使以1度的分辨率,这两个目标也是计算昂贵的。但是,在这个分辨率下,西部边界电流的整个空间量表由单个数据点覆盖。

“这是我们的前沿,” says Beal. “我们需要能够在全球气候模型中解决eddies和西部边界电流系统等关键海洋功能,用于预测二十一世纪的气候。”

解决当前的问题

虽然政府间气候变化小组使用的典型气候预测模型显示南非的AGULHAS Current’S海岸自由流入南大西洋(最佳),一种以十倍更高的分辨率模拟(底部)揭示旋流更符合现实世界观察的旋流。

信誉:Ben Kirtman大学迈阿密 - RSMAS

2016年,BEAL和她的同事解决了AGULHAS西部边界当前系统,其中位于南非的海岸,是在气候模型中首次1。他们使用了一个耦合的气候模型,具有全球海洋分辨率的一个程度的十分之一。然后,它们与较低分辨率模型相比,它们看起来有什么样的海洋行为,并观察到南大西洋的热量和盐含量的影响。他们还通过所谓的agulhas泄漏计算水运速度进入南大西洋。在这两种情况下,模拟比在较低分辨率下更紧密地匹配真实观察(见‘解决当前的问题’).

下次IPCC报告将于2022年发布,将使用某些海洋模型,分辨率为一季度。 BEAL认为,在全球气候模拟中使用更高分辨率的海洋模型可能会改变热量从赤道运输到极点的方式。今天’S气候模型模拟西部边界电流系统比实际更广泛而且慢。结果,它们可能低估了热量从赤道朝向真实海洋中的杆子的效率—更快的电流边界系统对大气失去了更少的热量,因此向极点提供更多。这种误差在型号之间交换海洋和大气之间的热量的方式可能导致全球气候模拟不准确。

Levke Caesar:不确定性的气候

信贷:波茨坦气候影响研究所/林宁汉

2018年,爱尔兰梅洛大学的气候科学家Levke Caesar采用了高分辨率模型和海洋循环观察,以表明大西洋经济倾覆流通(AMOC)—一个复杂的海洋电流系统,使热带和北大西洋之间的热量移动 —正在失去力量。这种弱化可以大大改变北半球的气候。在2019年Lindau Nobel Laureate会议上,凯撒谈到了海洋模型在气候科学中的作用。

为什么气候科学家需要建模海洋?

海洋循环将碳和热量移动到整个地球上的深海和运输热量—在amoc的情况下,从热带地带到极热的宠物。这与大约100万平均尺寸的核反应堆一样多。因此,当您包括海洋时,气候模型会改善很多。你看的时间段越长,海洋就越重要。

海洋车型现在有多准确?

有一种说法,所有模型都是错误的,但有些是有用的,而且它’s true—每个模型都是近似值。 amoc的观察强度约为每秒1600万立方米。但一些气候模型将其达到近3000万立方米/秒。所以他们’肯定并不完美,但他们仍然可以帮助我们了解驱动海洋循环的机制,以及海洋的变化如何回到大气中。

您如何验证型号?

为什么海洋电流模型散转的一个原因是我们并不完全确定’真的。但是,我们可以使用更多的观察系统来验证我们使用真实数据的模型。一系列停泊处,从摩洛哥到佛罗里达州的纬度横向跨越大西洋,从2004年以来向我们展示了Amoc在现实生活中表现得的。观察工作在汇集了广阔的海洋中非常重要。

是什么让武器如此难以模仿?

一个问题是,难以在小尺度上进行模拟过程。在表面,您可以将空间分辨率降至仅为几米,但随着深度增加。我们的高分辨率模型的水平刻度约为10公里。因此,总是将通过编码其物理学的数学描述来表示必须代表。

模型是一个问题的不确定性吗?

当然是。在模型中难以实施的一些事情可能对我们的预测产生很大影响。大多数模型表明Amoc将继续缓慢,但本世纪不会折叠。但那些模特们唐’T考虑到格陵兰冰板的淡水。遗漏这种稳定的力量可能使amoc看起来比实际更稳定。结果的不确定性也使得更加难以说服人们正在发生的事情。当科学家沟通时,我们尽量保持诚实,这意味着包括所有的不确定性。问题是,当非科学家声称气候变化并不是那么糟糕时,他们不’t say “但我们可能是错的”—他们令人信服地说。

这可以做些什么?

我们应该更加强调成本。如果发生的事情的负面影响很大,那么无论风险百分比是多少,你都应该采取行动来防止它。一些气候模型表明,随着武器削弱,风暴轨道可能会朝着英国突出。我们’没有肯定的那样,但在那里’表明。我们真的想测试它吗?

Richard Hodson访谈
这次采访已经编辑了长度和清晰度。

把它混合起来

即使在分辨率不足以模拟小规模过程时,也可以通过替代手段来采取步骤来表示它们。对于Mescale Ocean流程,这可以通过参数化完成—通过编码物理学的数学描述来表示海洋过程的方法。

在加利福尼亚圣地亚哥的Scripps海洋学机构的物理海洋学家詹妮弗Mackinnon研究了内部波浪在海洋中振荡的内部波浪。这些波对海洋中莫斯源性湍流混合过程具有重要作用,已知为整个海洋作品的方式影响,因此影响全球气候。

“因为海洋模型具有一定的分辨率,往往是数公里或数十公里的分辨率,” she says, “他们无法解决和模拟海洋中的许多过程。”即使对于更高分辨率的模型,这些‘子网格规模过程’可能仍然太小而无法明确解决。

2017年,Mackinnon在内部波浪驱动的海洋混合中共同撰写了一篇论文2 这是气候和海洋五年的研究:可变性,可预测性和变化(Clivar)项目。“模型先前已经将混合速率设置为常数,或者至少在空间可变的内容,”她说。但是Mackinnon认为这不是真正的情况。“我们的观察显示了我们尚未包含的东西,”她解释道。研究人员调整了模型来代表那些湍流的混合过程,然后看着海洋模型的表现如何不同于数十年的时间,而那些将海洋混合成为常数的时间。

结果表明,深水混合参数化对海洋有显着影响’S倾覆循环,又会影响大气层,因此影响全球气候。因此,要有一个现实的气候投影,Mackinnon辩称,太粗糙到包含这些内部混合过程的模型应该至少包括参数化来表示它们。

超越解析

尽管具有更高分辨率和参数化提供气候典范的好处,但使用它们并不总是可行的。计算模拟所需的时间随着分辨率的增加而增长,并且生成的数据数量也是如此。“这个问题只是增长并增长了你希望你的模拟的时间越长,” Durgadoo says.

研究员工的临时性质包括研究生和博士后的临时性质意味着没有时间在更高的分辨率下运行海洋模型。并且至关重要,尚不清楚延长模型分辨率将始终带来更大的好处。 BEAL表示,在非常高的分辨率下,模型的性能可能变得不稳定。

除了解决方案之外,研究人员还需要思考其他因素。一项研究表明,随着大气耦合海洋,可以通过简单地增加模型来实现墨西哥湾流的更现实的模拟’s resolution3. “如果您继续提高分辨率,那么可以有一个点’t really improve,” Beal says.

杜尔加杜 agrees. “分辨率绝对是一个限制因素,但只有一点, ”他说。例如,他和他的同事追踪失踪的马来西亚航空公司飞行的模拟具有高分辨率,但他们的研究有许多其他限制。“It’不仅通过海洋表面和时间的模型分辨率的问题—还有其他未知数,”他说。例如,研究人员对流体力学的物理有限了解。模型有多高’如果潜在的物理学缺乏详细信息,则空间分辨率是。克服这个问题的唯一方法是进一步的观察研究。

科学家们都同意更好的模型需要在观察海洋和那些试图模拟它的人之间的合作。但是可能缺乏跨学科沟通。 BEAL和MACKINNON是铅巡航的物理海洋,以将测量装置部署到深渊深度,而杜尔加杜等海洋谟谟莫德勒几乎总是总是办公室,经常在不同的研究所工作。没有努力,他们可能永远不会见面。

BEAL表示,CLIVAR和全球海洋观测系统(GOOS)等方案对于将研究人员携带以及MAC-Kinnon来说非常有用’S气候过程团队是该过程的积极结果的一个例子。 Mackinnon表示,通过分组观察科学家和莫德勒在一起,社区可以改善其对物理海洋的理解,并完善模型的性能。

随着模型的改善,在可以从他们中得出的结论中也可能有信心。这样的提升可能会让杜尔加杜队受益’S团队在寻找MH370。虽然他们认识到他们的研究的局限性,但他们于2015年联系了搜索权限,发现他们可能正在寻找错误的地方。当局承认收到了他们的通信,但在转移搜索网站周围没有讨论或行动。“More recently, we’ve对此事进行了进一步的研究,但决定不将其发送给当局,”Durgadoo说。他解释说,他们的工作目前的重点是改善了这种方法。

现在,飞机的消失和下落仍然是一个谜。

  1. 程,Y.,Putrasahan,D。,Beal,L.& Kirtman, B. J. Chem。 29,6881–6892 (2016).
  2. Mackinnon,J.A。 等等。 公牛。是。陨素。 SOC。 98,2429–2454 (2017). 
  3. Renault,L.,Molemaker,M.J.,Gula,J.,Masson,S。& McWilliams, J. C. J. Phy。 Oceanogr。 46,3439–3453 (2016).