2017年5月15日

當(dāng)龍卷風(fēng)完整形成時，仿真模型揭示了組成龍卷風(fēng)的多個結(jié)構(gòu)形式，包括沿氣流方向渦流（SVC），該渦流被認(rèn)為是龍卷風(fēng)活動的主要驅(qū)動力（圖中顯示為黃色部分）。圖片提供：美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校

　　龍卷風(fēng)季節(jié)迅速接近或已經(jīng)途徑美國易受攻擊的州，新型超級計算機仿真模型給予氣象學(xué)家研究巨大暴風(fēng)雨和龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)前所未有的洞察力。其中最近一個仿真模型再現(xiàn)了龍卷風(fēng)生成的超級細(xì)胞（supercell）雷暴，2011年發(fā)生的這一雷暴在中部大平原留下了一條破壞路徑。

　　美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校氣象衛(wèi)星聯(lián)合研究所（CIMSS）科學(xué)家Leigh Orf是該仿真模型的負(fù)責(zé)人。他領(lǐng)導(dǎo)的計算機模型小組研究人員揭示出龍卷風(fēng)內(nèi)部移動部分和產(chǎn)生它們的超級細(xì)胞雷暴。這個團(tuán)隊開發(fā)了創(chuàng)造超級細(xì)胞雷暴深度可視化專業(yè)技術(shù)和辨別這些超級細(xì)胞雷暴及最終形成龍卷風(fēng)原因的能力。

　　據(jù)美國國家海洋與大氣管理局?jǐn)?shù)據(jù)，由于美國占全球龍卷風(fēng)數(shù)量的首位，每年有超過1200個龍卷風(fēng)災(zāi)害產(chǎn)生，所以此項工作具有特別意義。

　　2011年5月，在為期4天集中風(fēng)暴短時間內(nèi)，幾個龍卷風(fēng)災(zāi)害發(fā)生在俄克拉荷馬州地區(qū)。一個接著一個，超級細(xì)胞風(fēng)暴催生了漏斗云，造成重大財產(chǎn)和生命損失。5月24日，一個特別的龍卷風(fēng)，注冊級別為EF-5的“El Reno”——是增強型Fujita規(guī)模類別龍卷風(fēng)中最強的1種。它在地面上保持了近2個小時，留下了一條長達(dá)63英里（100公里）的毀滅之路。

　　Orf最新仿真模型再現(xiàn)了El Reno龍卷風(fēng)，模型顯示出形成主要龍卷風(fēng)的眾多“微小龍卷風(fēng)”高分辨率影像。隨著漏斗云的發(fā)展，這些微小龍卷風(fēng)開始合并，增加龍卷風(fēng)強度，風(fēng)速加劇。最終，新的結(jié)構(gòu)形成，包括Orf稱之為沿氣流方向渦流（SVC）。

　　Orf指出，SVC由驅(qū)動整個系統(tǒng)的吸入空氣上升氣流的雨冷凝形成。這被認(rèn)為是維持異常強烈風(fēng)暴的重要部分，但有趣的是，SVC從不與龍卷風(fēng)接觸。準(zhǔn)確的說，它圍繞龍卷風(fēng)向上流動。

　　基于實際觀測數(shù)據(jù)，研究小組能夠重現(xiàn)當(dāng)時存在風(fēng)暴的天氣狀況，見證龍卷風(fēng)形成的步驟。從短期操作的模型預(yù)報，進(jìn)行大氣探測形式結(jié)構(gòu)、垂直剖面溫度、氣壓、風(fēng)速和水分?jǐn)?shù)據(jù)歸檔。通過合理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，這些參數(shù)可以創(chuàng)造出適合龍卷風(fēng)形成的條件，稱為龍卷風(fēng)成因。

　　根據(jù)Orf闡釋，龍卷風(fēng)的生成需要幾個“必要”部分，包括大氣中充足的水分，不穩(wěn)定性和風(fēng)切變現(xiàn)象，以及一個空氣向上移動觸發(fā)器因素，好似一個溫度或濕度差異性現(xiàn)象。但是，僅僅是存在這些部分的整合并不意味著龍卷風(fēng)必然形成。

　　Orf表示，事實上，在許多風(fēng)暴產(chǎn)生時具有所有的形成龍卷風(fēng)因素的條件，但最后什么都沒發(fā)生，這種情況并非不常見。追蹤龍卷風(fēng)的風(fēng)暴追逐者們很熟悉大自然的不可預(yù)見性，此模型同樣表明了類似問題。

　　Orf解釋，不同于通過編寫代碼提供一致結(jié)果的典型計算機程序，在這種復(fù)雜性水平上建模存在內(nèi)在的變異性，由于真實大氣中也展現(xiàn)出這種變異性，所以他在研究中得到鼓勵。

　　成功建?？赡苁苤朴谳斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和計算機處理能力的限定。為實現(xiàn)更高層次的模型精度，獲取在龍卷風(fēng)形成之前大氣狀況即時數(shù)據(jù)是理想的，但它仍可能是一個困難和危險的任務(wù)。結(jié)合這些風(fēng)暴復(fù)雜性特點，可能還有其他大氣中的敏感因素（目前未知因素）影響超級細(xì)胞是否能夠形成龍卷風(fēng)。

　　進(jìn)行龍卷風(fēng)仿真數(shù)字解析達(dá)到產(chǎn)生具有價值信息的足夠詳細(xì)的程度需要巨大處理能力。幸運的是，Orf已經(jīng)獲得使用專門為解決復(fù)雜計算需求設(shè)計的高性能超級計算機運算的權(quán)利：伊利諾伊大學(xué)香檳分校國家超級計算應(yīng)用中心藍(lán)色水域超級計算機。

　　總的來說，他們的EF-5級別龍卷風(fēng)仿真計算用了超過3天的運行時間。相比之下，傳統(tǒng)臺式電腦需要幾十年才能完成這種類型的處理。

　　展望未來，Orf正致力于開展下一階段研究工作，并繼續(xù)與全國科學(xué)家和氣象學(xué)家分享小組研究成果。該小組研究被刊登在2017年1月《美國氣象學(xué)會公報》封面。

　　Orf指出，雖然EF-5仿真模擬工作已經(jīng)完成，但是研究不會停止。研究人員將繼續(xù)改進(jìn)模型和分析結(jié)果，以便更好地了解這些危險和強勁的龍卷風(fēng)系統(tǒng)。

　　原文題目：A scientist and a supercomputer re-create a tornado

　　資料來源：https://cacm.acm.org/news/214840-a-scientist-and-a-supercomputer-re-create-a-tornado/fulltext

　　（王化編譯，殷永元審核）