增强飓风预报：模拟显示减少大气摩擦的估计可以改善风暴预测

飓风和其他极端天气事件会造成人员伤亡和金钱损失。据 NOAA 估计，从 1980 年到 2023 年，天气和气候灾害给美国造成了约 2.6 万亿美元的损失。仅 2022 年一年，美国就经历了 18 场灾难，每场灾难造成的损失达 10 亿美元或更多。更糟糕的是，2000 年至 2021 年的美国飓风夺去了近 2,000 人的生命。随着气候变化继续加剧这些风暴，准确的预报变得越来越重要。

“增强的飓风预测可以通过提供更精确的飓风和洪水预测来挽救数百万美元和许多人的生命。[更好地了解这些风暴]有望制定更好的疏散计划，同时也有可能为紧急服务部门提供预测信息需要更有效地应对，”休斯顿大学的 Mostafa Momen 说。

休斯顿大学研究生 Murad Hossain Khondaker 博士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力如何影响风暴强度和数值预测。

为了研究这个问题，该团队使用了匹兹堡超级计算中心 (PSC) 的超级计算机 Bridges-2。他们通过 ACCESS 的分配获得了系统上的时间，ACCESS 是 NSF 的超级计算资源网络，PSC 是该网络的主要成员。

该团队研究的核心是一种了解飓风如何运作的新方法。虽然低纬度地区的太阳能量可以将能量注入风暴，使其更加强烈，但大气本身会通过摩擦来抵抗。但人们对这种摩擦的程度及其对风暴威力的影响知之甚少。孔达克想知道改变假设的摩擦力或扩散会对预测产生什么影响。

这项研究的规模和复杂性需要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 16 个更高 RAM“常规内存”节点的性能。这些节点每个都有 512 GB RAM，是高端笔记本电脑内存的八倍。

“使用 128 个处理器以 8 公里水平分辨率模拟飓风艾尔玛 17 天大约需要 22 小时。通过进行水文模拟，我们表明这一新的调整也改善了飓风多发地区的洪水预报。这些发现的影响深远。根据 NOAA 的估计，最近的卡特里娜、哈维和玛丽亚等飓风造成的调整后总成本超过 4000 亿美元，”Momen 说。

通过减少 Bridges-2 模拟中的扩散，研究人员获得了惊人的发现。调整后的计算机模型显着提高了飓风强度预测的准确性。这一改进还扩展到预测飓风引起的降雨，这是预测洪水风险的关键因素。

调整后的模型能够使与默认天气模型相比，强度预测准确率高达 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，而是更局部和更严重的降水。这一见解对于城市地区尤其重要，集中降雨可能导致灾难性洪水，正如休斯顿哈维飓风期间所见。

休斯顿大学团队发表了他们的结果在水文气象学杂志2024 年 8 月。

更多信息：Md Murad Hossain Khondaker 等人，通过分析降水和边界层方案改进耦合水文气象模拟中的飓风强度和水流预报，水文气象学杂志（2024）。DOI：10.1175/JHM-D-23-0153.1