海洋モデルの進化

コンコル・パーセル • 19 3月 2018

今日、物事は動いてきました。

海洋モデラーは、実際の海洋の正確な表現をシミュレートすることに非常に近く、過去数十年にわたり、天気予報や波動予測、気候や古気候研究など、非常に現実的なモデルとなりました。航空機。

GEOMARヘルムホルツ海洋研究センター（ドイツ、キール）では、ジョナサン・ドルガドー博士は海洋モデルを使って約10年間働いています。その時、彼は彼が使用するモデルのリアリズムを高める傾向が見られました。

「現実的には、モデルが海洋のプロセスをシミュレートし、観測され、知られていることを意味します」と彼は言います。 "コンピュータが高速化するにつれて、異なるスケールで発生するより多くの海洋プロセスが含まれる可能性があります。そして、海洋プロセスについてますます理解するにつれて、我々はそれらをモデルに含める方法を考え始めることができます」

特に近年、海洋モデルは渦を解決する能力があるため、現実的になってきています。 Eddiesは、海洋の乱気流によって引き起こされるメソスケールの旋回機能です。過去10年ほどで、計算能力とデータ記憶が指数関数的に増加するにつれて、渦解海洋モデルがより広く普及した。

Durgadooは、海洋モデルではサイズが重要であると説明しています。 「海洋学者は、一般に時空間のスケールを話します。 「空間的には、海洋のプロセスはミリメートルから数千キロメートルに及ぶスケールで起こり、一時的に数百年にも及ぶ」

mesoscaleという言葉は、数十から数百マイルのオーダーの構造を指します。渦を含むこれらの構造は、海洋で多くの異なる機能を果たします。例えば、渦は特定の場所で水塊を捕獲し、それらを別の場所に輸送し、局所的に生物活性を促進する栄養豊富な水を捕捉することもできる。したがって、海洋モデルがこれらのスケールで現実感を得るためには、渦や他の構造を表現する必要があります。

「これは、これらの構造をシミュレートしないモデルは役に立たないと言っているわけではありません」とDurgadoo氏は付け加えます。 「限界内でモデルの有用性を理解し、評価しなければなりません」

モデル解決の問題

地球規模の海洋をモデル化することは本質的に困難です。海洋モデル開発の歴史を通して、現代の標準によって非常に基本的なコンピューティング製品を使用している最も初期のモデルから現代の最先端の百万本のコードビーモスまで、研究者は問題に対処するために苦労してきましたつまりモデルが実行される地理的なスケール - グリッド解像度が小さいほど、海の表現が良い。

ドイツのブレーマーハーフェンのアルフレッドウェゲナー研究所の気候ダイナミクス部門の海洋モデル開発に従事するセルゲイダニロフ教授によると、実際に観測された水塊の特徴と循環を再現することが主な課題でした海洋。

「小さな空間的および時間的スケールのモーションはモデル化できず、したがってパラメータ化されています。これにより、時間の経過とともに蓄積する誤差が生じます。モデル作成者は、分解能を高めたり、パラメータ化の忠実度を向上させたり、数値アルゴリズムを改善したりして、これらを減らそうとしています。

この感情は、以前のMIT海洋学者のCarl Wunschの著書Modern Observational Physical Oceanographyに掲載されています。これは、いくつかのプロセスが常に省略されていることを意味します - 自然が直面しない障害です。 Wunsch氏は次のように述べています。「ユーザーは、これらのプロセスの省略が重要かどうかを判断する必要があります。 「仮定された方程式を完全に数値的に表現することは可能であったが、エラーは常にコンピュータコードに存在する」

MH370の検索

それにもかかわらず、海洋モデル開発を専門とする科学者たちは、完璧を追求する上で大きな進歩を遂げました。 Durgadoo博士と彼の同僚は、2015年7月、インド洋のLaRéunion島でマレーシア航空の航空便MH370が紛失したフラッペロン（飛行機の一部）が誕生したとき、素晴らしいアイディアを得ました。最先端の海洋モデルを使って、彼らは飛行機がどこで墜落したかを知ることが可能でなければならないと考えた。

「MH370に属する瓦礫がインド洋の海岸で発見されたという事実だけで、数ヶ月にわたって海面に浮かんでいた」という。 「理論的には、適切な情報があれば、フラッペロンの可能な出発位置を見つけることができるように軌道をシミュレートすることができ、したがって、打ち切られた航空機の位置を明らかにすることができます。

それはまさに彼らがしたことです。彼らのモデルを使用し、ラグランジアン分析と呼ばれる方法を用いて残骸を後方に追跡することにより、研究者は飛行機の位置を推定することができた。 Durgadooは、このプロセスを2016年の記事で説明しました。 「私たちは、飛行機のクラッシュ場所を確定するために海洋モデルを使用して、時間の経過とともにフラッペロンを追跡することができるという考えでした。しかし、海は混沌とした場所です。単一の「仮想フラッペロン」のパスを時間的に後方にシミュレートするのは意味がありません。したがって、2015年7月のモデル月間に、ラ・レユニオン島周辺の500万の仮想モデル・フラッペロンを配置したときに使用した「数の強さ」戦略は、

その結果は目覚ましいものでした。 Durgadooによれば、「正確な位置を特定することは不可能ですが、フラッペロンの起源はオーストラリアの南西ではなく西にある可能性が高いことがわかりました。もっと重要なのは、我々の分析に基づいて、フラッペロンが優先探索領域から出発した機会が1.3％未満であることです。

チームは、そのモデルを使用して、優先ゾーンに沿った探索努力が、航空機の発見に成功する可能性は非常に低いと結論づけました。確かに、飛行機がまだ今日欠けていると、飛行MH370の運命は謎のままです。

[編集者注：著者の執筆以来、MH370の検索が再開した]

モデルの進歩を促すテクノロジー

今日の海洋モデルがこのレベルの洗練さを達成するためには、開発を推進する技術は幅広くなければなりませんでした。正確なデータを取得するために海に配備された観測ユニットから、将来の予測を行うために使用される最先端のスーパーコンピュータにまで及ぶ。

Danilov教授は、「コンピュータハードウェア側の開発により、以前にパラメータ化されたプロセスを明示的に解決できることを意味しています。 GPU（グラフィックスプロセッシングユニット）を含む新しい計算技術がモデルスループットの向上につながることが期待されています。

「物理的には、現代の技術によって新しいデータが利用できるようになり、モデルで使用されているパラメータ化をよりうまく調整することができます。衛星高度計とアルゴ・フロートは特に重要です。

しかしDanilov氏は、計算能力の進歩が現在の主な推進要因であると指摘する。グローバルモデルを高分解能（約1キロメートルのグリッドサイズ）で稼働させることは既に可能であり、そのレベルまでのプロセスが解決されていることを意味する。

「メソスケールの動きを解決するモデルは、近い将来現実のものとなるでしょう。しかし、このようなモデルの実行は計算コストが高く、多くのデータを実行して生成するのに時間がかかります。したがって、原理的に可能なものと研究ツールとして使用できるものとを区別しなければならない。

実際、彼は、将来の海洋モデリングは、気象予測と同様の経路をたどると考えています。モデルのアンサンブルは、海洋の潜在的な将来の複数の状態の感覚を得るために実行されます。

「問題は、完璧な初期データであっても、ある時間後に予測がより困難になるため、予測可能性の地平線があるということです。海洋は複雑な内部力学を持っています。これは混沌であるため、数値的にシミュレートされた海洋は時間の経過とともに観測から分かれていきます。

「より良い数値とパラメータ化は、海洋の予測される平均状態と変動性を改善するでしょう」と彼は言います。しかし、全体的な計算の労力はかなり大きい。

「海をシミュレートする我々の能力は向上するだろうが、徐々に向上するだろう」

（ Marine Technology Reporterの Mach 2018版で発表されたように）