Cov Txuj Ci Siv Los Tsim Qauv Huab Cua Hauv Kev Xam Phiw
Kev siv computer los ua qauv huab cua yog kev siv zog los sawv cev rau lub ntiaj teb huab cua—huab cua, dej hiav txwv, av, dej khov, thiab biosphere—hauv daim ntawv ntawm cov lej lej uas siv computer los ua qauv. Lub hom phiaj tsis yog tsuas yog "kwv yees huab cua xwb," tab sis yog kom nkag siab txog tus cwj pwm huab cua mus sij hawm ntev, ntsuas qhov cuam tshuam ntawm tib neeg tej haujlwm, thiab tshawb nrhiav tej xwm txheej yav tom ntej raws li kev hloov pauv ntawm cov pa roj av uas ua rau lub tsev cog khoom puas tsuaj, kev siv av, thiab tej yam ntuj tsim xws li roob hluav taws tawg thiab kev hloov pauv ntawm lub hnub. Vim tias huab cua yog ib qho system nyuaj, kev siv computer los ua qauv huab cua yog siv ntau yam kev siv computer los ua qauv, los ntawm cov qauv lub cev uas siv equation mus rau kev suav lej thiab kev kawm tshuab.
1. Cov qauv raws li cov qauv sib npaug ntawm lub cev (Cov Qauv Dynamical)
Cov txheej txheem tseem ceeb tshaj plaws hauv kev ua qauv huab cua yog kev ua qauv dynamic, uas tsim cov qauv los ntawm cov kev cai lij choj ntawm lub cev uas paub. Qhov tseem ceeb, qhov dynamic ntawm huab cua thiab dej hiav txwv yog piav qhia los ntawm cov qauv sib txawv ib nrab xws li Navier-Stokes qauv (rau cov kua), cov qauv ntawm thermodynamics (lub zog), kev txuag ntawm pawg (kev txuas ntxiv mus), thiab cov qauv rau kev thauj mus los ntawm cov pa dej lossis salinity. Vim tias cov qauv no tsis muaj cov kev daws teeb meem yooj yim ntawm lub ntiaj teb, cov khoos phis tawj tau siv los ua kev sib koom ua ke ntawm cov lej dhau sijhawm.
Cov qauv huab cua dynamics feem ntau raug muab faib ua ntau yam: huab cua, dej hiav txwv, av, dej khov hauv hiav txwv, thiab qee zaum cov tshuaj lom neeg hauv huab cua. Kev sib cuam tshuam ntawm cov khoom no yog txuas nrog los ntawm kev sib pauv ntawm lub zog, dej noo, lub zog, thiab cov pa roj carbon. Qhov zoo ntawm txoj hauv kev lub cev yog nws qhov sib xws nrog cov ntsiab cai tseem ceeb ntawm xwm; nws qhov tsis zoo yog nws tus nqi suav thiab nws qhov kev vam khom rau kev yooj yim rau cov txheej txheem uas me dhau hauv qhov ntsuas (piv txwv li, huab cua convective).
2. Kev faib tawm ntawm daim phiaj thiab kev daws teeb meem ntawm qhov chaw thiab lub sijhawm
Vim tias lub ntiaj teb txuas ntxiv mus, cov qauv xav tau cov txheej txheem discretization: qhov chaw thiab huab cua raug faib ua cov hlwb grid (squares) hauv latitude-longitude thiab cov txheej ntsug. Qhov kev daws teeb meem ntawm grid (piv txwv li, 100 km, 25 km, lossis finer) txiav txim siab qhov ntxaws uas tuaj yeem sawv cev. Qhov kev daws teeb meem zoo dua, cov txheej txheem hauv zos ntau dua tuaj yeem "qhia meej," tab sis qhov kev xav tau suav suav nce ntxiv ntau heev.
Ntxiv rau qhov kev siv cov qauv latitude-longitude ib txwm muaj, qee cov qauv siv cov qauv cubic-spherical lossis cov txheej txheem finite element los txo cov teeb meem lej ze ntawm cov ncej. Kev xaiv cov kauj ruam sijhawm kuj tseem ceeb heev: cov kauj ruam sijhawm loj dhau tuaj yeem ua rau tus qauv tsis ruaj khov, thaum cov kauj ruam me dhau ua rau qhov kev sim qeeb. Yog li ntawd, qee cov qauv lej - xws li semi-implicit lossis split-explicit - yog siv los tswj kev ruaj khov thaum tseem ua haujlwm tau zoo.
3. Kev ntsuas qhov ntsuas ntawm cov txheej txheem sub-grid
Muaj ntau yam txheej txheem tseem ceeb tshwm sim ntawm qhov ntsuas me dua li cov hlwb grid, xws li kev tsim huab, kev hloov pauv ntawm cov txheej txheem ciam teb, kev nag los ntawm huab cua, lossis kev sib cuam tshuam ntawm huab cua thiab huab. Vim tias lawv tsis tuaj yeem ua qauv qhia meej ntawm cov kev daws teeb meem thoob ntiaj teb, lawv tau sawv cev los ntawm kev teeb tsa: cov cai empirical lossis semi-empirical uas cuam tshuam cov xwm txheej ntawm grid rau cov txiaj ntsig nruab nrab ntawm cov txheej txheem me me.
Kev ntsuas qhov ntsuas yog ib qho ntawm cov chaw loj tshaj plaws ntawm kev tsis paub meej hauv kev kwv yees huab cua, tshwj xeeb tshaj yog hais txog cov huab, uas cuam tshuam rau lub ntiaj teb txoj kev cuam tshuam (albedo) thiab kev tawm tsam radiative. Cov txheej txheem ntsuas qhov ntsuas niaj hnub no suav nrog cov txheej txheem ntsuas qhov ntsuas stochastic, uas suav nrog cov ntsiab lus probabilistic los sawv cev rau cov kev hloov pauv me me uas tsis tau daws los ntawm lub grid.
4. Cov qauv dav dav thiab cov qauv ntawm lub ntiaj teb (GCM & ESM)
Cov qauv huab cua thoob ntiaj teb uas paub zoo tshaj plaws yog Cov Qauv Kev Ncig Dav Dav (GCMs), uas ua piv txwv txog kev ncig ntawm huab cua thiab/lossis dej hiav txwv ntawm qhov ntsuas thoob ntiaj teb. Cov qauv uas muaj ntau yam ntxiv hu ua Cov Qauv Txheej Txheem Ntiaj Teb (ESMs), uas ntxiv cov voj voog biogeochemical xws li cov voj voog carbon thiab nitrogen thiab cov nroj tsuag dynamics. Nrog ESMs, cov kws tshawb fawb tuaj yeem kawm tsis yog tsuas yog qhov kub thiab txias teb rau cov pa phem xwb tab sis kuj tseem yuav ua li cas kev hloov pauv huab cua cuam tshuam rau lub peev xwm ntawm cov ecosystem kom nqus tau carbon, yog li tsim cov lus teb huab cua-carbon.
Nyob rau theem kev siv, tus qauv no yog siv los sim nrog "xwm txheej": piv txwv li, huab cua yuav hloov pauv li cas yog tias cov pa phem tseem nce ntxiv, tseem ruaj khov, lossis poob qis sai. Cov txiaj ntsig yog lub hauv paus rau kev tshawb fawb thoob ntiaj teb thiab qhia txog txoj cai huab cua.
5. Kev txo qis: los ntawm thoob ntiaj teb mus rau cheeb tsam
Cov kev xav tau ntawm cov neeg siv feem ntau yog nyob hauv zos: qhov cuam tshuam rau nag los hauv nroog, qhov kub thiab txias heev hauv thaj chaw ua liaj ua teb, lossis qhov kev pheej hmoo ntawm dej nyab ntawm tus dej. Vim tias cov qauv thoob ntiaj teb feem ntau tsis zoo rau cov ntsiab lus hauv zos, cov txheej txheem downscaling raug siv.
Muaj ob txoj hauv kev tseem ceeb. Ua ntej, kev txo qis dynamic nrog Regional Climate Model (RCM), uas khiav tus qauv siab daws teeb meem hla ib cheeb tsam tshwj xeeb nrog cov kev txwv ntawm tus qauv thoob ntiaj teb. Qhov thib ob, kev txo qis kev suav lej, uas tsim kom muaj kev sib raug zoo ntawm cov lej loj (piv txwv li, kev ncig huab cua) thiab cov lej hauv zos (nag los ntawm chaw nres tsheb). Kev txo qis kev suav lej pheej yig dua tab sis vam khom qhov kev xav tias kev sib raug zoo yav dhau los yuav tuav tau yav tom ntej.
6. Kev sib sau ua ke cov ntaub ntawv rau kev tsim qauv dua tshiab thiab kev sib xws
Txawm hais tias kev sib sau ua ke ntawm cov ntaub ntawv yog qhov paub zoo tshaj plaws hauv kev kwv yees huab cua, cov txheej txheem no kuj tseem ceeb hauv kev ua qauv huab cua, tshwj xeeb tshaj yog rau kev rov tshuaj xyuas thiab kev tsim kho dua tshiab ntawm cov xwm txheej huab cua keeb kwm. Kev sib sau ua ke ntawm cov ntaub ntawv sib xyaw ua ke cov kev soj ntsuam (satellite, chaw nres tsheb, nkoj, buoy) nrog cov qauv ua ntej los tsim cov kev kwv yees sib xws ntawm lub cev ntawm huab cua thiab dej hiav txwv.
Cov txheej txheem nrov suav nrog Kalman Filter (thiab nws cov derivatives xws li Ensemble Kalman Filter) thiab cov txheej txheem sib txawv (3D-Var/4D-Var). Hauv cov ntsiab lus huab cua, kev sib xyaw ua ke pab sib sau ua ke cov ntaub ntawv tawg thiab tsis tiav, muab cov khoom keeb kwm muaj txiaj ntsig zoo rau kev soj ntsuam cov qauv thiab nkag siab txog cov qauv mus sij hawm ntev.
7. Kev ua qauv ua ke rau qhov tsis paub tseeb thiab qhov muaj feem yuav tshwm sim
Huab cua tsis zoo, yog li cov txiaj ntsig simulation yog qhov rhiab heev rau cov xwm txheej pib thiab cov kev xaiv parameter. Txhawm rau ua tiav qhov no, kev ua qauv ua ke yog siv: khiav ib qho qauv ntau zaus nrog cov xwm txheej pib sib txawv, cov xwm txheej, lossis cov kev cai los tsim ntau yam kev ua tau. Cov kev sib sau ua ke tso cai rau cov kws tshawb fawb los ntsuas qhov tshwm sim ntawm qhov xwm txheej (piv txwv li, ob npaug ntawm qhov muaj feem ntawm nthwv dej kub heev) es tsis yog tsuas yog ib qho kev tshwm sim xwb.
Ensemble kuj txhawb nqa ntau tus qauv sib sau ua ke, uas muab ntau tus qauv los ntawm ntau lub koom haum sib txawv. Kev sib piv ntawm cov qauv muaj txiaj ntsig zoo rau kev txheeb xyuas cov yam ntxwv ruaj khov (sib xws) thiab tsis paub meej.
8. Kev ntsuam xyuas tus qauv thiab kev ntsuas kev ua tau zoo (kev txheeb xyuas tus qauv)
Cov txheej txheem ua qauv tsis yog tsuas yog ua cov kev sim xwb; kev ntsuam xyuas qauv kuj tseem ceeb ib yam. Cov qauv raug piv nrog cov kev soj ntsuam keeb kwm, kev rov ntsuam xyuas dua, thiab cov ntaub ntawv paleoclimate (piv txwv li, cov dej khov lossis cov av qeeg) los xyuas kom meej tias lawv muaj peev xwm rov ua dua cov qauv ntawm qhov kub thiab txias, nag lossis daus, kev ncig ntawm lub caij ntuj sov, El Niño-La Niña, thiab cov qauv sov ntawm lub ntiaj teb. Cov txheej txheem ntsuam xyuas suav nrog cov ntsuas kev suav lej (kev cuam tshuam, RMSE, kev sib raug zoo), kev tshuaj xyuas qhov kub thiab txias, thiab kev ntsuam xyuas kev txuag dej thiab lub zog.
Kev ntsuam xyuas niaj hnub no kuj tseem ceeb rau kev ntsuam xyuas raws li cov txheej txheem: tsis yog tsuas yog sib phim cov lej xwb, tab sis kev ntsuam xyuas seb tus qauv puas rov ua dua cov txheej txheem lub cev kom raug, piv txwv li cov txheej txheem ntawm kev tsim huab hauv thaj chaw sov lossis cov dynamics ntawm cov dej loj hauv dej hiav txwv.
9. Kev kawm tshuab thiab cov qauv sib xyaw
Nyob rau xyoo tas los no, kev kawm tshuab (ML) tau dhau los ua ib txoj kev sib pab. ML yog siv los ua kom cov khoom kim heev sai dua (kev ua qauv hloov pauv), kho qhov tsis sib xws (kev kho qhov tsis sib xws), lossis tsim cov kev teeb tsa ntawm cov huab thiab kev ntxhov siab uas tau kawm los ntawm kev ua qauv siab heev thiab cov ntaub ntawv soj ntsuam.
Ib txoj hauv kev zoo yog tus qauv sib xyaw: kev sib xyaw ua ke lub hauv paus lub cev (kom tswj tau qhov sib xws nrog cov cai lij choj kev txuag) nrog rau ML module rau cov txheej txheem sub-grid. Cov teeb meem tseem ceeb yog kev dav dav dhau ntawm cov ntaub ntawv kev cob qhia, kev txhais lus, thiab kev ua kom muaj kev ruaj khov ntawm tus lej thaum ML raug koom ua ke rau hauv cov qauv huab cua ntev.
10. Kev suav lej ua tau zoo thiab kev txuag hluav taws xob
Cov qauv huab cua niaj hnub no khiav ntawm cov supercomputers nrog ntau txhiab txog ntau lab lub cores xam. Cov txheej txheem parallelization, kev ua kom zoo dua ntawm cov lej, thiab kev tswj cov ntaub ntawv nkag-tawm yog qhov tseem ceeb. Kev daws teeb meem siab dua thiab cov pawg loj dua tsim cov ntaub ntawv petabytes, ua rau kev tswj cov ntaub ntawv, kev nias, thiab kev tshuaj xyuas hauv-situ (ua cov ntaub ntawv thaum lub sijhawm simulation khiav) tseem ceeb dua.
Qhov tshwm sim ntawm GPUs thiab cov qauv kev suav lej tshiab tau tsav txoj kev tsim kho dua tshiab ntawm cov qauv kom ua rau lawv ua haujlwm tau zoo dua. Lub caij no, lub zej zog huab cua kuj pib xav txog cov pa roj carbon ntawm kev suav lej, ua rau kev ua haujlwm tau zoo tsis yog teeb meem ntawm lub sijhawm xwb tab sis kuj yog kev siv zog.
Kev kaw
Cov txheej txheem kev suav qauv huab cua sib xyaw ua ke physics, lej lej, kev suav lej, kev tshawb fawb txog cov ntaub ntawv, thiab kev suav ua haujlwm siab. Txij li cov qauv dynamical raws li equation, grid discretization, thiab sub-grid parameterization, mus rau ensembles, downscaling, data assimilation, thiab machine learning integration, txhua yam lub hom phiaj yog kom nkag siab txog lub kaw lus huab cua nyuaj thiab muab cov ntaub ntawv txhim khu kev qha. Thaum kev soj ntsuam, kev xav, thiab kev muaj peev xwm suav tau zoo dua, kev qauv huab cua yuav muaj peev xwm teb cov lus nug tseem ceeb: huab cua hloov pauv li cas, nws hloov pauv sai npaum li cas, thiab cov tswv yim twg yuav zoo tshaj plaws rau kev txo qis thiab kev hloov pauv yav tom ntej.
