science >> Wetenschap >  >> Natuur

Onderzoekers vangen extreme golven op met modellering met hogere resolutie

De maximale golfhoogte in bovenstaande tijdreeksen laat verschillen zien in stormkarakteristieken, inclusief de aan- of afwezigheid van tropische cyclonen, wanneer verschillende resoluties worden gebruikt. Bij resoluties van 25 km (onderpaneel), de donkere stormspoorlijnen zijn veel smaller en frequenter, vooral in gebieden zoals de centrale en westelijke Stille Oceaan waar tropische cyclonen invloedrijk zijn. Veel van deze stormlijnen zijn breder of zelfs afwezig in het geval van 100 km (bovenpaneel). Krediet:Ben Timmermans/Berkeley Lab

Surfers zijn niet de enige mensen die grote golven proberen te vangen. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy proberen dit te doen, te, althans in golfklimaatvoorspellingen.

Met behulp van decennia aan wereldwijde klimaatgegevens gegenereerd met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 25 vierkante kilometer, onderzoekers konden de vorming van tropische cyclonen vastleggen, ook wel orkanen en tyfoons genoemd, en de extreme golven die ze genereren. Diezelfde modellen, wanneer ze worden uitgevoerd met een resolutie van ongeveer 100 kilometer, miste de tropische cyclonen en de grote golven tot 30 meter hoog.

Hun bevindingen, gepubliceerd in het nummer van 16 februari van Geofysische onderzoeksbrieven , het belang aantonen van klimaatmodellen met een hogere resolutie. Betere voorspellingen van hoe vaak extreme golven zullen toeslaan zijn belangrijk voor kuststeden, het leger, en industrieën die afhankelijk zijn van scheepvaart en offshore-olieplatforms. En, natuurlijk, voor surfers.

"Het is bekend dat om tropische cyclonen te bestuderen met behulp van simulaties, de modellen moeten worden uitgevoerd met een hoge resolutie, " zei hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker Ben Timmermans. "De meeste bestaande modellen die worden gebruikt om het mondiale klimaat te bestuderen, worden gebruikt met resoluties die onvoldoende zijn om tropische cyclonen te voorspellen. De simulaties in onze studie zijn de eerste wereldwijde datasets van lange duur die een resolutie van 25 kilometer gebruiken. Het is ook de eerste keer dat een studie specifiek de impact van resolutieverhoging voor oceaangolven op wereldwijde klimatologische schaal heeft onderzocht."

De andere auteurs van deze studie zijn Dáith Stone, Michael Wehner, en Harinarayan Krishnan. Alle auteurs zijn wetenschappers van de Computational Research Division (CRD) van Berkeley Lab.

Inzoomen om orkanen te detecteren

Klimaatmodellen werken door de uitwisseling van lucht, water, en energie tussen de grid-boxen. In de huidige state-of-the-art klimaatmodellen, deze dozen zijn doorgaans 100 tot 200 kilometer breed. Dat detailniveau is goed genoeg om de vorming en beweging van stormen van gemiddelde breedte te vangen, zeiden de onderzoekers, omdat dergelijke systemen vaak vrij groot zijn.

In tegenstelling tot, tropische cyclonen hebben de neiging om een ​​kleiner gebied te bestrijken. Hoewel de totale voetafdruk van een orkaan breed kan zijn, het oog van een orkaan kan zeer compact en goed gedefinieerd zijn, merkten de onderzoekers op.

"Het probleem met die resolutie van 100 kilometer is dat het belangrijke details van de orkanen en tropische cyclonen mist, die duidelijk relevant zijn voor het genereren van extreme golven, " zei Stone. "Maar het is een rekenkundige uitdaging om naar een dataset met een resolutie van 25 kilometer te gaan. Het vereist 64 keer meer rekenkracht dan een simulatie van 100 kilometer."

Er worden orkanen gezien die grote golven genereren binnen de hoge resolutie, 25 km-model (rechterkant). De grote golven verschijnen als helder, gele en rode vlekken. Deze stormen en resulterende golven zijn bijna volledig afwezig in de lage resolutie, 100 km-model (links). Credit:Ben Timmermans en Michael Wehner/Berkeley Lab

De studie was gebaseerd op de gegevensverwerkingskracht van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een wetenschappelijke computergebruikersfaciliteit gefinancierd door het DOE Office of Science en gevestigd in Berkeley Lab.

De onderzoekers gebruikten het klimaatmodel Community Atmosphere Model versie 5 (CAM5) met gegevens die werden verzameld in stappen van drie uur met een lage resolutie van 100 kilometer en een hoge resolutie van 25 kilometer. Ze ontdekten dat de simulaties met hoge resolutie tropische cyclonen omvatten waar de lage resolutie-simulaties dat niet deden.

Gegevens kraken om grote golven te vangen

Om te zien of de cyclonen effect hadden op golven, ze voerden vervolgens globale golfmodellen uit met beide resoluties. Ze zagen extreme golven in het model met hoge resolutie die niet verschenen in het model met lage resolutie.

"Orkanen zijn lastig te modelleren, " zei Stone. "We hebben het belang aangetoond van het gebruik van een dataset met hoge resolutie voor het produceren van orkanen. Maar de kenmerken van orkanen kunnen veranderen met het klimaat. Mensen maken projecties van veranderingen in oceaangolven in een toekomst, warmere wereld. Het is niet duidelijk of de resolutie van 25 kilometer voldoende is om alle processen vast te leggen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van een orkaan. Maar we weten wel dat het beter is dan 100 kilometer."

Hoewel er nog meer simulaties met hoge resolutie van de toekomst op komst zijn, de onderzoekers konden aan het einde van de 21e eeuw een eerste blik werpen op mogelijke omstandigheden. Wehner merkte op dat de grootste golven op Hawaï naar verwachting aanzienlijk groter zullen zijn in een veel warmere toekomstige wereld.

De onderzoekers voegden eraan toe dat in deze studie alleen werd gekeken naar gemiddelden van door de wind gegenereerde golven. Eenmalige "rogue" of "freak" golven kunnen niet worden gereproduceerd in dit soort modellen, en grote golven zoals tsunami's zijn heel verschillend omdat ze worden veroorzaakt door seismologische activiteit, niet de wind.

De gegevens van deze studie zullen vrij beschikbaar worden gesteld voor gebruik door de bredere wetenschappelijke gemeenschap.

"Zoals weerpatronen deel uitmaken van het klimaat, oceaangolfpatronen maken ook deel uit van het 'golf'-klimaat, "zei Timmermans. "Oceaangolven zijn relevant voor de interactie tussen de oceaan en de atmosfeer, die het klimaat van de planeet als geheel beïnvloedt."