تطور نماذج المحيط

من جانب كونور بورسيل • 2 رجب 1439

اليوم ، انتقلت الأمور.

إن نماذج المحيطات أقرب إلى محاكاة التمثيل الدقيق للمحيط الحقيقي ، وعلى مدار العقود القليلة الماضية ، أصبحت نماذجهم واقعية بشكل لا يصدق ، حيث تراوحت التطبيقات من التنبؤ بالطقس والأمواج ، إلى البحث المناخي والمناخ القديم ، وليس أقلها البحث عن المفقودين. الطائرات.

في مركز GEOMAR Helmholtz لبحوث المحيطات Kiel ، ألمانيا ، يعمل الدكتور Jonathan Durgadoo مع نماذج المحيطات منذ ما يقرب من 10 سنوات. في ذلك الوقت ، شهد اتجاهًا نحو زيادة الواقعية في النماذج التي يستخدمها.

ويقول: "إننا نعني بالواقعية القدرة على محاكاة النماذج في المحيطات التي يتم رصدها ومعرفتها". "مع ازدياد سرعة أجهزة الكمبيوتر ، يمكن تضمين المزيد من العمليات المحيطية التي تحدث على مستويات مختلفة. وبما أننا نفهم المزيد والمزيد عن عمليات المحيطات ، يمكننا البدء في التفكير في طرق لإدراجها في نماذجنا ".

على وجه الخصوص ، أصبحت نماذج المحيطات أكثر واقعية في السنوات الأخيرة بسبب قدرتها على حل الدوامات. الدودات هي ملامح يحوم الميزووسالي التي تسببها الاضطرابات في المحيط. على مدى العقد الماضي أو نحو ذلك ، مع ازدياد قوة الحوسبة وتخزين البيانات بشكل كبير ، أصبحت نماذج المحيطات الدوامة أكثر انتشارًا.

يشرح دوغرادو أنه في نمذجة المحيط ، يكون الحجم مهمًا. "علماء المحيطات عموما يتحدثون عن المقاييس في المكان والزمان" ، كما يقول. من الناحية المكانية ، تحدث العمليات في المحيطات على نطاق يتراوح من المليمترات إلى آلاف الكيلومترات ، وبشكل مؤقت يصل إلى عدة قرون ".

تشير كلمة mesoscale إلى الهياكل حسب ترتيب العشرات إلى مئات الأميال. تلعب هذه الهياكل ، والتي تشمل الدوامات ، العديد من الوظائف المختلفة في المحيط. على سبيل المثال ، تقوم الدوامات بحبس كتل الماء في مواقع معينة ونقلها إلى مواقع أخرى ، ويمكن أيضًا احتجاز المياه الغنية بالمغذيات التي تعزز النشاط الحيوي محليًا. لذلك ، لكي تحقق نماذج المحيطات الواقعية في هذه المقاييس ، يجب أن يتم تمثيل الدوامات والهياكل الأخرى.

"هذا لا يعني أن النماذج التي لا تحاكي هذه البنى غير مجدية" ، يضيف دوغرادو. "يجب على المرء أن يفهم ويقدر فائدة النماذج في حدودها."

المشكلة مع نموذج القرار

إن نمذجة المحيط العالمي أمر صعب بطبيعته. على مدار تاريخ تطور نموذج المحيطات ، بدءًا من النماذج المبكرة التي تستخدم منتجات حوسبة أساسية جدًا وفقًا للمعايير الحديثة ، وصولًا إلى أحدث فِرَق العمل "مليون سطور من الرموز" ، ناضل الباحثون للتعامل مع المشكلات من القرار ، أي المقياس الجغرافي الذي يعمل عنده نموذج - حيث كلما كان حجم الشبكة أصغر ، كان تمثيلك أفضل للمحيط.

وفقا للبروفيسور سيرجي دانيلوف ، الذي يعمل على تطوير نموذج المحيطات في قسم ديناميكيات المناخ في معهد ألفريد فيغنر ، بريمرهافن ، ألمانيا ، كان التحدي الرئيسي دائما هو جعل النماذج تعيد إنتاج خصائص كتلة الماء والدورة الدموية التي نراها في الواقع. محيط.

ويقول: "لا يمكن تصميم الحركات في المقاييس المكانية والزمانية الصغيرة ، وبالتالي تكون معلمات". "هذا يخلق الأخطاء ، والتي يمكن أن تتراكم مع مرور الوقت. لذلك ، يحاول مصممو النماذج تقليلها عن طريق زيادة الدقة أو تحسين دقة المعلمات أو تحسين الخوارزميات الرقمية. "

ويردد هذا الشعور في كتاب عالم المحيطات السابق لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، كارل فونش ، كتاب علم المحيطات الفيزيائية الحديثة ، حيث يشرح المؤلف أنه لا يوجد نموذج له حل مثالي. وهذا يعني أن بعض العمليات يتم حذفها دائمًا - وهي عقبة لا تواجهها الطبيعة. "يجب على المستخدم تحديد ما إذا كان إغفال تلك العمليات أمرًا مهمًا" ، يكتب Wunsch. "حتى لو كان من الممكن تمثيل المعادلات المفترضة بشكل مثالي ، فإن الأخطاء موجودة دائمًا في رموز الكمبيوتر."

البحث عن MH370

ومع ذلك ، فإن العلماء المتخصصين في تطوير نموذج المحيط قد قطعوا خطوات هائلة في سعيهم نحو الكمال. عندما ظهر فراجون (جزء من جناح طائرة) من شركة الطيران الماليزية المفقودة الرحلة MH370 في جزيرة لا ريونيون في المحيط الهندي في يوليو 2015 ، كان لدى دورجادو وزملاؤه فكرة رائعة. وباستخدام نموذج المحيط الأكثر حداثة ، فهموا أنه من الممكن المساعدة في معرفة مكان تحطم الطائرة.

ويقول: "إن مجرد العثور على حطام تابع لـ MH370 على شواطئ المحيط الهندي يشير إلى أنه تم تعويمها لأشهر على سطح المحيط". "من الناحية النظرية ، وبالنظر إلى المعلومات الصحيحة ، يمكن محاكاة المسارات على أمل تحديد موقع نقطة البدء المحتملة للفابور ، ومن ثم إلقاء بعض الضوء على موقع الطائرة المهدمة".

وهذا بالضبط ما فعلوه. وباستخدام نموذجهم وتتبع الحطام باستخدام طريقة تسمى تحليل Lagrangian ، تمكن الباحثون من تقدير موقع الطائرة. وصف Durgadoo العملية في مقال 2016. "كانت الفكرة أنه يمكننا استخدام نموذج المحيط لتعقب flaperon مرة أخرى في الوقت المناسب لتحديد موقع تحطم الطائرة. لكن المحيط مكان فوضوي. لا معنى لمحاكاة مسار 'flaperon الظاهري' واحد في الوقت المناسب. وبالتالي ، فإن إستراتيجية "القوة في الأرقام" هي ما استخدمناه عندما وضعنا ما يقرب من خمسة ملايين زهور نموذجية حول جزيرة لا ريونيون خلال شهر يوليو 2015 النموذجي. "

وكانت نتائجهم رائعة. وفقا لدورجادو ، "في حين أنه من المستحيل تحديد موقع دقيق ، وجدنا أن أصل flaperon من المرجح أن يكون إلى الغرب بدلا من جنوب غرب أستراليا. والأهم من ذلك ، استنادًا إلى تحليلنا ، فإن فرصة أن تبدأ رحلة flaperon رحلتها من منطقة البحث ذات الأولوية أقل من 1.3 بالمائة ".

وقد استخدم الفريق نموذجهم لاستنتاج أن جهود البحث على طول منطقة الأولوية من غير المرجح أن تحقق النجاح في العثور على الطائرة. في الواقع ، مع بقاء الطائرة مفقودة اليوم ، يبقى مصير الرحلة MH370 لغزا.

[ملاحظة المحرر: منذ كتابة المؤلف ، تم استئناف البحث عن MH370]

التكنولوجيا تدفع التطورات النموذجية

ولكي تصل نماذج المحيطات إلى هذا المستوى من التطور اليوم ، يجب أن تكون التكنولوجيا التي تدفع تطورها واسعة النطاق ؛ من وحدات المراقبة المنتشرة في البحر للحصول على بيانات دقيقة ، إلى أحدث الحواسيب الفائقة المستخدمة لإجراء التنبؤات المستقبلية.

يقول البروفيسور دانيلوف: "التطورات على جانب أجهزة الكمبيوتر تسمح للمرء باستخدام المزيد من الموارد" ، وهذا يعني أننا نستطيع أن نحسم بشكل صريح العمليات التي كانت مسبوقة. هناك أمل في أن التقنيات الحسابية الجديدة التي تشمل وحدات معالجة الرسومات - وحدات معالجة الرسومات - ستؤدي إلى زيادة إنتاجية النموذج. "

ويضيف قائلاً: "من الناحية المادية ، أصبحت البيانات الجديدة متاحة من خلال التكنولوجيا الحديثة ، مما يساعد على ضبط أو تقييد التقييدات المستخدمة في النماذج. إن لقياس الارتفاع بالأقمار الصناعية وعوامات آرغو أهمية خاصة ".

لكن دانيلوف يشير إلى أن التقدم في القوة الحسابية هو المحرك الرئيسي في الوقت الحاضر. إن تشغيل النماذج العالمية بدقة عالية - حوالي 1 كيلومتر من حجم الشبكة - ممكن بالفعل ، مما يعني أن العمليات إلى هذا المستوى يتم حلها.

"النماذج التي تحل الحركات المتوسطة الحجم ستصبح حقيقة في المستقبل المنظور" ، كما يقول. "لكن عمليات تشغيل هذه النماذج لا تزال مكلفة للغاية من الناحية الحسابية ، مما يعني أنها تستغرق الكثير من الوقت لتشغيلها وتوليد الكثير من البيانات. لذا ، ينبغي التمييز بين ما هو ممكن من حيث المبدأ ، وما يمكن استخدامه كأداة للبحث ".

في الواقع ، يعتقد أن مستقبل نمذجة المحيطات قد يتبع مسارًا مشابهًا لتنبؤات الطقس ، حيث يتم تنفيذ مجموعات تشغيل النماذج للحصول على شعور لحالات مستقبلية محتملة متعددة - ليس فقط واحدة.

ويقول: "المشكلة هي أنه حتى مع وجود بيانات أولية مثالية ، هناك أفق إمكانية التنبؤ ، لأنه بعد فترة زمنية معينة ، يصبح التنبؤ أكثر صعوبة. يحتوي المحيط على ديناميكيات داخلية معقدة - فوضوية - وبالتالي فإن المحيط المحاكِي عدديًا سيتباعد عن المشاهدات بمرور الوقت. "

ويضيف: "إن استخدام عدسات أفضل وإضفاء المزيد من المعلمات سيؤدي إلى تحسين حالة وتقلبات المحيط المتوقعة". "لكن الجهد الحسابي الكلي كبير إلى حد ما".

"لذلك ، ستتحسن قدرتنا على محاكاة المحيط ، ولكن بشكل تدريجي."

(كما نشرت في الطبعة Mach 2018 من مراسل تكنولوجيا البحرية )