GEOS-5氣候模型所形成的模擬圖片，模型精確地預(yù)測了主體云層系統(tǒng)的位置與形狀
地球同步軌道環(huán)境衛(wèi)星所拍攝的衛(wèi)星圖片
美國宇航局地球系統(tǒng)科學(xué)家近期研制了迄今精度最高的地球氣候模型GEOS-5氣候模型，并通過該模型繪制了全球氣候模擬圖片。模擬圖片與衛(wèi)星圖片對比顯示，GEOS-5氣候模型可以精確地預(yù)測氣候狀況。
科學(xué)是一個過程?？茖W(xué)家首先需要實地觀測，然后提出假設(shè)用于解釋觀測數(shù)據(jù)，最后再通過系統(tǒng)驗證和推理，找到支持或辯駁其假設(shè)的證據(jù)，從而得出一個科學(xué)的結(jié)論。許多人或許認為，科學(xué)家們在進行假設(shè)和驗證的過程，所有工作都是在實驗室中進行的。但是，對于研究地球如何運行的地球系統(tǒng)科學(xué)家來說，他們的實驗室就是整個星球。面對龐大的星球，科學(xué)家們很難將全球各地不同的氣溫或云雨真正地集中到狹小的實驗室中系統(tǒng)地研究。相反，他們只有將實地觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，形成復(fù)雜的電腦模型進行模擬研究。通過這類模型，科學(xué)家們可以對不同的假設(shè)進行測試和驗證，并利用真實的觀測數(shù)據(jù)進行檢測，從而科學(xué)家們可以真正地理解地球大氣、陸地和海洋等各個方面是如何協(xié)同工作的。
本文中的兩幅圖片分別為地球氣候模型模擬圖片(上圖)和地球同步軌道環(huán)境衛(wèi)星圖片，圖片顯示的是分別通過兩種方式所獲得的同一時刻地球氣候狀況。該地球氣候模型被稱為“戈達德地球觀測系統(tǒng)模型-第五版”(GEOS-5)，也是迄今精度最高的地球氣候模型。下圖則是由美國宇航局和美國國家海洋和大氣局的地球同步軌道環(huán)境衛(wèi)星所拍攝的衛(wèi)星圖片。通過圖片對比發(fā)現(xiàn)，GEOS-5模型精確地預(yù)測了2010年2月6日時的云層特點。當(dāng)天，一股強烈的寒流為華盛頓特區(qū)帶來了一場數(shù)英尺厚的暴雪。
2010年2月6日，GEOS-5模型和地球同步軌道環(huán)境衛(wèi)星傳感器分別對地球上空的云層進行了紅外測量。兩幅圖片顯示，陸地上空覆蓋著厚厚的云層，模擬圖片與衛(wèi)星圖片所描繪的情況極其吻合。模型精確地預(yù)測了主體云層系統(tǒng)的位置與形狀，如北大西洋東部上空的卷曲云帶以及美國海岸附近的強烈冬季風(fēng)暴。高精度的GEOS-5氣候模型甚至還可以詳細預(yù)測云層形狀的細節(jié)。在2月6日的模擬圖片中，氣候模型預(yù)測了一些小型云層的邊線、云街現(xiàn)象以及冬季風(fēng)暴的東部細節(jié)。在一幅全球模擬圖片中，氣候模型還精確地預(yù)測了熱帶地區(qū)的大量雷暴現(xiàn)象。
GEOS-5氣候模型的精度通常為每像素5公里，盡管它的精度最高可達每像素3.5公里，因此它也是目前世界上最精確的全球氣候模型。普通氣候模型在模擬云層情況時，精度大約為每像素28公里。這就意味著，由普通氣候模型所產(chǎn)生的全球平面地圖包含了77.7萬個網(wǎng)格單元(像素)，而5公里精度的GEOS-5氣候模型所產(chǎn)生的地圖(上圖)則包含了2400萬個網(wǎng)格單元。因此，科學(xué)家可以根據(jù)GEOS-5氣候模型獲得關(guān)于地球的更詳細的信息。
和所有的氣候模型一樣，GEOS-5氣候模型也是利用數(shù)學(xué)方程式來計算氣候變化情況。地球氣候的一些物理屬性，如溫度和能量等，則需要實地測量。實時數(shù)據(jù)被輸入模型，從而保證模型與真實世界盡可能一致。當(dāng)然，在建造模型過程中，數(shù)百萬次的計算則需要數(shù)千臺計算機處理器。GEOS-5氣候模型運行于美國宇航局戈達德太空飛行中心新成立的氣候模擬中心的“發(fā)現(xiàn)”超級計算機之上。“發(fā)現(xiàn)”超級計算機擁有近1.5萬個處理器。
氣候科學(xué)家將利用GEOS-5氣候模型預(yù)測未來數(shù)十年的氣候變化情況。2010年6月2日，美國宇航局氣候模擬中心以新名稱開始運作。
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