A evolução dos modelos oceânicos

Por Conor Purcell • 19 março 2018

Hoje, as coisas se mudaram.

Os modeladores de oceano estão muito mais perto de simular representações precisas do oceano real e, ao longo das últimas décadas, seus modelos tornaram-se incrivelmente realistas, com aplicações que vão desde previsão de clima e onda, pesquisa climática e paleoclimática, e não menos importante, a busca por falta aeronave.

No Centro GEOMAR Helmholtz para Ocean Research Kiel, Alemanha, o Dr. Jonathan Durgadoo vem trabalhando com modelos oceânicos há quase 10 anos. Naquele tempo, ele testemunhou uma tendência para aumentar o realismo nos modelos que ele usa.

"Por realista, queremos dizer a capacidade de modelos para simular processos no oceano que são observados e conhecidos", diz ele. "À medida que os computadores se tornam mais rápidos, podem ser incluídos mais processos oceânicos que ocorrem em diferentes escalas. E, à medida que entendemos cada vez mais sobre os processos oceânicos, podemos começar a pensar em maneiras de incluí-los em nossos modelos ".

Em particular, os modelos oceânicos tornaram-se mais realistas nos últimos anos devido à sua capacidade de resolver remédios. Eddies são características de torção mesoescala que são causadas pela turbulência no oceano. Ao longo da última década, o poder computacional e o armazenamento de dados aumentaram exponencialmente, os modelos oceânicos de resolução de redemoinhos se tornaram mais difundidos.

Durgadoo explica que, na modelagem oceânica, o tamanho importa. "Os oceanógrafos geralmente falam de escalas no espaço e no tempo", diz ele. "Espacialmente, os processos no oceano ocorrem em escalas que variam de milímetros a milhares de quilômetros, e temporariamente até vários séculos".

A palavra mesoescala refere-se a estruturas na ordem de dezenas a centenas de quilômetros. Essas estruturas, que incluem redemoinhos, desempenham muitas funções diferentes no oceano. Por exemplo, os redemoinhos capturam massas de água em determinados locais e os transportam para outro, e também podem atrapalhar a água rica em nutrientes que promove localmente a atividade biológica. Então, para que os modelos oceânicos consigam o realismo nessas escalas, os redemoinhos e outras estruturas precisam ser representados.

"Isso não quer dizer que os modelos que não simulam essas estruturas são inúteis", acrescenta Durgadoo. "É preciso entender e apreciar a utilidade dos modelos dentro dos limites".

O problema com a resolução do modelo

A modelagem do oceano global é inerentemente difícil. Ao longo da história do desenvolvimento do modelo oceânico, desde os primeiros modelos usando produtos de computação muito básicos por padrões modernos, até os modernos moinhos de código de "milhões de linhas de código", os pesquisadores têm lutado para lidar com problemas de resolução, ou seja, a escala geográfica em que um modelo é executado - onde quanto menor for sua resolução de grade, melhor será a sua representação do oceano.

De acordo com o professor Sergey Danilov, que trabalha no desenvolvimento do modelo oceânico na Divisão de Dinâmica Climática do Instituto Alfred Wegener, Bremerhaven, Alemanha, o principal desafio sempre foi fazer com que os modelos reproduzam as características e a circulação da massa de água que observamos no real oceano.

"Moções em pequenas escalas espaciais e temporais não podem ser modeladas e, portanto, são parametrizadas", diz ele. "Isso cria erros, que podem se acumular ao longo do tempo. Assim, os modeladores tentam reduzir isso aumentando a resolução, melhorando a fidelidade das parametrizações ou melhorando os algoritmos numéricos ".

Esse sentimento é ecoado no livro do oceanógrafo do MIT Carl Wunsch, Oceanografia física observacional moderna, onde o autor explica que nenhum modelo possui uma resolução perfeita. Isso significa que alguns processos sempre são omitidos - um obstáculo que a natureza não enfrenta. "O usuário deve determinar se a omissão desses processos é importante", escreve Wunsch. "Mesmo que possamos representar perfeitamente numericamente as equações assumidas, sempre existem erros nos códigos de computador".

A Pesquisa de MH370

No entanto, os cientistas que se especializaram no desenvolvimento do modelo oceânico fizeram grandes passos na busca da perfeição. Quando um flaperon (parte de uma asa plana) do voo MH370 faltando na Malásia apareceu na Ilha La Reunião no Oceano Índico em julho de 2015, o Dr. Durgadoo e seus colegas tiveram uma idéia brilhante. Ao usar seu modelo oceânico de última geração, eles argumentaram que deveria ser possível ajudar a descobrir onde o avião tinha caído.

"O simples fato de que os detritos pertencentes ao MH370 foram encontrados nas praias do Oceano Índico sugeriu que eles flutuavam por meses na superfície do oceano", diz ele. "Em teoria, dada a informação correta, as trajetórias poderiam ser simuladas na esperança de localizar a posição de início do flaperon possível e, portanto, lançar alguma luz sobre a localização da aeronave desmembrada".

E isso é exatamente o que eles fizeram. Ao usar seu modelo e rastrear os restos usando um método chamado análise lagrangiana, os pesquisadores conseguiram estimar a localização do avião. Durgadoo descreveu o processo em um artigo de 2016. "A idéia era que pudéssemos usar um modelo oceânico para rastrear o flaperon no tempo para estabelecer a localização do acidente do vôo. Mas o oceano é um lugar caótico; Não faz sentido simular o caminho de um único "flaperon virtual" atrasado no tempo. Portanto, uma estratégia de "força em números" é o que usamos quando colocamos cerca de cinco milhões de flocos de modelos virtuais em torno de La Reunião, durante o mês modelo de julho de 2015. "

E seus resultados foram notáveis. Segundo Durgadoo, "enquanto é impossível identificar uma localização exata, descobrimos que a origem do flaperon provavelmente será para o oeste em vez do sudoeste da Austrália. Mais importante ainda, com base em nossa análise, a chance de o flaperon ter começado sua jornada da área de busca prioritária é inferior a 1,3 por cento ".

A equipe usou seu modelo para concluir que os esforços de busca ao longo da zona prioritária não permitiriam alcançar o sucesso na busca da aeronave. De fato, com o avião ainda desaparecido hoje, o destino do vôo MH370 continua sendo um mistério.

[Nota do editor: Desde a redação do autor, a busca do MH370 foi retomada]

Avanços modelo de unidades de tecnologia

Para que os modelos oceânicos tenham alcançado esse nível de sofisticação hoje, a tecnologia que impulsiona seu desenvolvimento teve que ter sido ampla; das unidades de observação implantadas no mar para aquisição de dados precisos, para os supercomputadores de última geração utilizados para fazer previsões futuras.

"Os desenvolvimentos no lado do hardware do computador permitem usar mais recursos", diz o professor Danilov, "o que significa que podemos resolver explicitamente os processos previamente parametrizados. Existe a esperança de que as novas tecnologias computacionais que envolvam GPUs - Unidades de processamento de gráficos - levem a um aumento do throughput do modelo ".

"No lado físico", ele acrescenta, "novos dados estão se tornando disponíveis através da tecnologia moderna, ajudando a melhor ajustar ou restringir parametrizações usadas nos modelos. A altimetria por satélite e os flutuadores Argo são de particular importância ".

Mas Danilov aponta que o progresso no poder computacional é o principal driver no momento. A execução de modelos globais em alta resolução - em torno de um tamanho de grade de um quilômetro - já é possível, o que significa que os processos até esse nível estão sendo resolvidos.

"Modelos que resolvem movimentos mesoescala tornar-se-ão realidade no futuro previsível", diz ele. "Mas essas corridas de modelo ainda são computacionalmente dispendiosas, o que significa que eles demoram muito para correr e gerar muitos dados. Portanto, a distinção deve ser feita entre o que é possível em princípio e o que pode ser usado como ferramenta de pesquisa ".

Na verdade, ele acredita que o futuro da modelagem do oceano pode seguir um caminho semelhante ao da previsão do tempo, onde conjuntos de corridas de modelo são realizados para ter uma sensação para vários estados futuros potenciais do oceano - e não apenas um.

"O problema é", diz ele, "que, mesmo com dados iniciais perfeitos, existe um horizonte de previsibilidade, porque depois de um certo tempo, a previsão torna-se mais difícil. O oceano tem intrincadas dinâmicas internas - que são caóticas - e, assim, um oceano numericamente simulado divergirá das observações ao longo do tempo ".

"Numerismos e parametrização melhores melhorarão o estado e a variabilidade média prevista do oceano", diz ele. "Mas o esforço computacional geral é bastante grande".

"Então nossa capacidade de simular o oceano irá melhorar, mas gradualmente".

(Conforme publicado na edição Mach 2018 do Marine Technology Reporter )