GEOS-5氣候模型所形成的模擬圖片，模型精確地預(yù)測(cè)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(guó)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(guò)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(duì)比顯示，GEOS-5氣候模型可以精確地預(yù)測(cè)氣候狀況。
科學(xué)是一個(gè)過(guò)程?？茖W(xué)家首先需要實(shí)地觀測(cè)，然后提出假設(shè)用于解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)，最后再通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)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(gè)科學(xué)的結(jié)論。許多人或許認(rèn)為，科學(xué)家們?cè)谶M(jìn)行假設(shè)和驗(yàn)證的過(guò)程，所有工作都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。但是，對(duì)于研究地球如何運(yùn)行的地球系統(tǒng)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們的實(shí)驗(yàn)室就是整個(gè)星球。面對(duì)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(shí)驗(yàn)室中系統(tǒng)地研究。相反，他們只有將實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，形成復(fù)雜的電腦模型進(jìn)行模擬研究。通過(guò)這類(lèi)模型，科學(xué)家們可以對(duì)不同的假設(shè)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，并利用真實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，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(gè)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(guò)兩種方式所獲得的同一時(shí)刻地球氣候狀況。該地球氣候模型被稱(chēng)為“戈達(dá)德地球觀測(cè)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(guó)宇航局和美國(guó)國(guó)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(guò)圖片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，GEOS-5模型精確地預(yù)測(cè)了2010年2月6日時(shí)的云層特點(diǎn)。當(dāng)天，一股強(qiáng)烈的寒流為華盛頓特區(qū)帶來(lái)了一場(chǎng)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(duì)地球上空的云層進(jìn)行了紅外測(cè)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(cè)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(guó)海岸附近的強(qiáng)烈冬季風(fēng)暴。高精度的GEOS-5氣候模型甚至還可以詳細(xì)預(yù)測(cè)云層形狀的細(xì)節(jié)。在2月6日的模擬圖片中，氣候模型預(yù)測(cè)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(xì)節(jié)。在一幅全球模擬圖片中，氣候模型還精確地預(yù)測(cè)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(dá)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(shí)，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(wàn)個(gè)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(wàn)個(gè)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(xì)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(lái)計(jì)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(shí)地測(cè)量。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被輸入模型，從而保證模型與真實(shí)世界盡可能一致。當(dāng)然，在建造模型過(guò)程中，數(shù)百萬(wàn)次的計(jì)算則需要數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)處理器。GEOS-5氣候模型運(yùn)行于美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心新成立的氣候模擬中心的“發(fā)現(xiàn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)之上。“發(fā)現(xiàn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)擁有近1.5萬(wàn)個(gè)處理器。
氣候科學(xué)家將利用GEOS-5氣候模型預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)十年的氣候變化情況。2010年6月2日，美國(guó)宇航局氣候模擬中心以新名稱(chēng)開(kāi)始運(yùn)作。
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