Nu het tornadoseizoen snel nadert of al aan de gang is in kwetsbare staten in de VS, nieuwe supercomputersimulaties geven meteorologen ongekend inzicht in de structuur van monsterlijke onweersbuien en tornado's. Een van die recente simulaties bootst een tornado-producerende supercelonweersbui na die in 2011 een pad van vernietiging achterliet over de Central Great Plains.

De persoon achter die simulatie is Leigh Orf, een wetenschapper bij het Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Hij leidt een groep onderzoekers die computermodellen gebruiken om de bewegende delen in tornado's en de supercellen die ze produceren te onthullen. Het team heeft expertise ontwikkeld door diepgaande visualisaties van supercellen te maken en te onderscheiden hoe ze tornado's vormen en uiteindelijk uitzetten.

Het werk is vooral relevant omdat de VS het wereldwijde aantal tornado's leidt met meer dan 1, 200 touchdowns per jaar, volgens de National Oceanic and Atmospheric Administration.

In mei 2011 verschillende tornado's landden in korte tijd boven het landschap van Oklahoma, vierdaagse verzameling stormen. De een na de ander, supercellen brachten trechterwolken voort die aanzienlijke materiële schade en verlies aan mensenlevens veroorzaakten. Op 24 mei, één tornado in het bijzonder - de "El Reno" - geregistreerd als een EF-5, de sterkste tornado-categorie op de Enhanced Fujita-schaal. Het bleef bijna twee uur op de grond en liet een pad van vernietiging achter van 63 mijl lang.

Orf's meest recente simulatie bootst de El Reno tornado na, onthullend in hoge resolutie de talrijke "mini-tornado's" die zich vormen aan het begin van de hoofdtornado. Naarmate de trechterwolk zich ontwikkelt, ze beginnen te fuseren, het toevoegen van kracht aan de tornado en intensivering van de windsnelheden. Eventueel, nieuwe structuren ontstaan, inclusief wat Orf de streamwise vorticity current (SVC) noemt.

"De SVC bestaat uit regengekoelde lucht die wordt gezogen in de opwaartse luchtstroom die het hele systeem aandrijft, " zegt Orf. "Er wordt aangenomen dat dit een cruciaal onderdeel is bij het in stand houden van de ongewoon sterke storm, maar interessant, de SVC maakt nooit contact met de tornado. Liever, het stroomt omhoog en eromheen."

Met behulp van observatiegegevens uit de echte wereld, het onderzoeksteam was in staat om de weersomstandigheden ten tijde van de storm na te bootsen en getuige te zijn van de stappen die leidden tot het ontstaan ​​van de tornado. De gearchiveerde gegevens, ontleend aan een kortetermijnprognose van een operationeel model, was in de vorm van een atmosferische klank, een verticaal temperatuurprofiel, luchtdruk, windsnelheid en vocht. Als je het op de juiste manier combineert, deze parameters kunnen de omstandigheden creëren die geschikt zijn voor tornado-vorming, bekend als tornadogenese.

Volgens Orf, het produceren van een tornado vereist een aantal "niet-onderhandelbare" onderdelen, inclusief overvloedig vocht, instabiliteit en windschering in de atmosfeer, en een trekker die de lucht naar boven beweegt, zoals een temperatuur- of vochtverschil. Echter, het loutere bestaan ​​van deze delen in combinatie betekent niet dat een tornado onvermijdelijk is.

"In de natuur, het is niet ongewoon dat stormen de juiste ingrediënten hebben voor tornadogenese en dan gebeurt er niets, ", zegt Orf. "Stormjagers die tornado's volgen, zijn bekend met de onvoorspelbaarheid van de natuur, en onze modellen hebben aangetoond dat ze zich op dezelfde manier gedragen."

Orf legt uit dat, in tegenstelling tot een typisch computerprogramma, waar code is geschreven om consistente resultaten te leveren, modellering op dit niveau van complexiteit heeft inherente variabiliteit, en in sommige opzichten vindt hij het bemoedigend omdat de echte atmosfeer deze variabiliteit vertoont, te.

Succesvolle modellering kan worden beperkt door de kwaliteit van de invoergegevens en de verwerkingskracht van computers. Om een ​​grotere nauwkeurigheid in de modellen te bereiken, het ophalen van gegevens over de atmosferische omstandigheden onmiddellijk voorafgaand aan de tornado-vorming is ideaal, maar het blijft een moeilijke en potentieel gevaarlijke taak. Met de complexiteit van deze stormen, er kunnen subtiele (en momenteel onbekende) factoren in de atmosfeer zijn die beïnvloeden of een supercel al dan niet een tornado vormt.

Het digitaal oplossen van een tornado-simulatie tot een punt waarop de details fijn genoeg zijn om waardevolle informatie op te leveren, vereist een enorme verwerkingskracht. Gelukkig, Orf had toegang gekregen tot een krachtige supercomputer, speciaal ontworpen voor complexe computerbehoeften:de Blue Waters Supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications van de University of Illinois in Urbana-Champaign

In totaal, hun EF-5-simulatie duurde meer dan drie dagen aan runtime. In tegenstelling tot, het zou tientallen jaren duren voordat een conventionele desktopcomputer dit soort verwerking zou voltooien.

Vooruit kijken, Orf werkt aan de volgende fase van dit onderzoek en blijft de bevindingen van de groep delen met wetenschappers en meteorologen in het hele land. In januari 2017, het onderzoek van de groep stond op de omslag van het Bulletin van de American Meteorological Society.

"We hebben de EF-5-simulatie voltooid, maar we zijn niet van plan om daar te stoppen, " zegt Orf. "We blijven het model verfijnen en blijven de resultaten analyseren om deze gevaarlijke en krachtige systemen beter te begrijpen."