增强飓风预报：模拟显示降低大气摩擦估计值可改善风暴预测

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飓风和其他极端天气事件会造成生命和金钱损失。据 NOAA 估计，从 1980 年到 2023 年，天气和气候灾害在美国造成了约 2.6 万亿美元的损失。仅在 2022 年，美国就经历了 18 起灾难，每起灾难造成的损失都超过 10 亿美元。更糟糕的是，2000 年至 2021 年的美国飓风夺走了近 2,000 人的生命。随着气候变化继续加剧这些风暴，准确的预测变得越来越重要。
“通过提供更精确的飓风风向和洪水预报，增强的飓风预报可以节省数百万美元并挽救许多人的生命。[更好地了解这些风暴]有望制定更好的疏散计划，但也有可能为应急服务部门提供更有效应对所需的预报，”休斯顿大学的 Mostafa Momen 说。
休斯顿大学研究生 Md Murad Hossain Khondaker 与其导师土木与环境工程助理教授 Mostafa Momen 合作，希望更好地了解大气摩擦如何影响风暴强度和数值预测。
为了研究这个问题，该团队获得了匹兹堡超级计算中心 (PSC) 超级计算机 Bridges-2 的使用权。他们通过 ACCESS（美国国家科学基金会的超级计算资源网络，PSC 是其中的主要成员）的分配获得了使用该系统的时间。
该团队研究的核心是采用一种新方法来了解飓风是如何形成的。虽然低纬度地区的太阳能量可以向风暴中注入能量，使其更加强烈，但大气本身却通过摩擦来抵抗。但人们对这种摩擦的程度及其对风暴威力的影响了解甚少。孔达克想知道，改变假设的摩擦或扩散会对预测产生什么影响。
这项研究的规模和复杂性要求大量的计算资源来处理所涉及的大量数据集。Bridges-2 发挥了重要作用，提供了超过 300,000 个 CPU 核心小时，以及其 16 个高 RAM“常规内存”节点的性能。每个节点都有 512 GB 的 RAM，每个节点的内存是高端笔记本电脑的八倍。
“使用 128 个处理器，以 8 公里水平分辨率模拟飓风伊尔玛 17 天，大约需要 22 小时。通过进行水文模拟，我们表明这种新的调整还可以改善飓风多发地区的洪水预报。这些发现的影响是深远的，因为根据 NOAA 的估计，最近的飓风如卡特里娜飓风、哈维飓风和玛丽亚飓风造成了超过 4000 亿美元的总调整成本，”Momen 说。
研究人员在 Bridges-2 模拟中减少了扩散，并有了惊人的发现。调整后的计算机模型显著提高了飓风强度预测的准确性。这种改进还扩展到预测飓风引起的降雨，这是预测脆弱地区洪水风险的关键因素。
与默认天气模型相比，调整后的模型能够使飓风强度预测的准确率提高 40%。另一个令人惊讶的发现是，更强烈的飓风并不一定会导致更多的总降雨量，而是会导致更多的局部和严重降水。这一见解对于城市地区尤其重要，因为集中降雨可能导致灾难性的洪水，就像休斯顿飓风哈维期间所见的那样。
休斯顿大学团队于 2024 年 8 月在《水文气象学杂志》上发表了他们的研究成果。