Кіріспе

Атмосфера мен мұхиттардың математикалық модельдерін қолдана отырып, ауа райын болжау. Сандық ауа райы болжамы (САБ) ауа райын болжау үшін атмосфера мен мұхиттардың математикалық модельдерін пайдаланады. 1920 жылдары алғаш рет талпыныс жасалғанмен, 1950 жылдары компьютерлік модельдеу пайда болғанға дейін сандық ауа райы болжамы нақты нәтижелер бермеді. Әлемнің әртүрлі елдерінде радиозондтардан, ауа райы спутниктерінен және басқа да бақылау жүйелерінен алынған ағымдағы ауа райы туралы мәліметтерді пайдалана отырып, көптеген жаһандық және аймақтық болжау модельдері жұмыс істейді. Бірдей физикалық қағидаларға негізделген математикалық модельдер қысқа мерзімді ауа райы болжамдарын немесе ұзақ мерзімді климаттық болжамдарды жасау үшін қолданылуы мүмкін; соңғысы климаттың өзгеруін түсіну және оны болжау үшін кеңінен қолданылады. Аймақтық модельдерді жақсарту тропикалық циклонның қозғалысын және ауа сапасының болжамын айтарлықтай жақсартуға мүмкіндік берді. Дегенмен, атмосфералық модельдер салыстырмалы түрде шектеулі аумақта жүретін процестерді, мысалы, орман өрттерін басқаруда нашар жұмыс істейді. Қазіргі заманғы сандық ауа райы болжамына қажетті үлкен деректерді өңдеу және күрделі есептеулерді орындау үшін әлемдегі ең қуатты суперкомпьютерлер қажет. Суперкомпьютерлердің қуаты артып келе жатқанмен де, сандық ауа райы модельдерінің болжау қабілеті шамамен алты күнге ғана жетеді. Сандық болжаулардың дәлдігіне әсер ететін факторларға болжамдарға кіріс ретінде қолданылатын бақылаулардың тығыздығы мен сапасы, сондай-ақ сандық модельдердің өзіндегі кемшіліктер жатады. Сандық болжаулардағы қателерді өңдеуді жақсарту үшін модельдік нәтижелер статистикасы (МНС) сияқты кейін өңдеу әдістері әзірленді. Негізгі мәселе атмосфераны сипаттайтын толық емес дифференциалдық теңдеулердің хаотикалық сипатында жатыр. Бұл теңдеулерді дәл шешу мүмкін емес, ал кішігірім қателер уақыт өте келе өседі (шамамен әр бес күнде екі есеге көбейеді). Қазіргі түсінік бойынша, бұл хаотикалық мінез-құлық дәл болжауларды шамамен 14 күнге дейін шектейді, тіпті дәл кіріс деректері мен қатесіз модель болған жағдайда да. Сонымен қатар, модельде қолданылатын толық емес дифференциалдық теңдеулерді күн сәулесі, ылғалды процестер (бұлттар мен жауын-шашын), жылу алмасу, топырақ, өсімдіктер, жер бетіндегі су және жер бедерінің әсері үшін параметрлеумен толықтыру қажет. Сандық болжаулардағы қалған үлкен белгісіздікті бағалау үшін 1990 жылдан бері ансамбльдік болжамдар қолданылуда, олар болжамға деген сенімділікті бағалауға және әдеттегіден гөрі болашақта пайдалы нәтижелер алуға көмектеседі. Бұл тәсіл жеке болжау моделімен немесе бірнеше модельдермен жасалған бірнеше болжамдарды талдайды.

Тарих

Сандық ауа райын болжау тарихы 1920 жылдары Льюис Фрай Ричардсонның күш-жігерімен басталды, ол бастапқыда Вильгельм Бьеркнес әзірлеген процедураларды қолданды. Тек компьютер мен компьютерлік симуляциялардың пайда болуымен ғана есептеу уақыты болжам кезеңінен кеміп қалды. 1950 жылы ENIAC атмосфералық басқару теңдеулеріне өте қарапайым жуықтама негізінде алғашқы компьютерлік ауа райы болжамын жасау үшін пайдаланылды. 1954 жылы Карл Густав Россбидің швед метеорологиялық және гидрологиялық институтындағы тобы сол модельді қолданып, алғашқы операциялық болжамды (яғни, практикалық қолдануға арналған тұрақты болжамды) жасады. АҚШ-та сандық ауа райын болжау 1955 жылы АҚШ Әуе күштері, Әскери-теңіз күштері және Ауа райы бюросының бірлескен жобасы – Бірлескен сандық ауа райын болжау бөлімі (JNWPU) арқылы басталды. 1956 жылы Норман Филлипс тропосферадағы айлық және маусымдық үлгілерді реалистік бейнелейтін математикалық модельді әзірледі; бұл алғашқы табысты климаттық модель болды. Филлипстің жұмысынан кейін бірнеше топтар жалпы айналым модельдерін жасау үшін жұмыс істей бастады. Мұхит және атмосфера процестерін біріктіретін алғашқы жалпы циркуляциялық климаттық модель 1960 жылдардың соңында NOAA Геофизикалық сұйықтық динамикасы зертханасында жасалды. Компьютерлердің қуаты артқан сайын бастапқы деректер жиынтығының көлемі ұлғайды және қосымша есептеу қуатын пайдалану үшін жаңа атмосфералық модельдер әзірленді. Бұл жаңа модельдер атмосфераның сандық симуляцияларындағы қозғалыс теңдеулерін жеңілдетуде физикалық процестерді көбірек қамтиды. 1970-1980 жылдары тропикалық циклондардың траекториясын және ауа сапасын болжауда шектеулі аумақтық (аймақтық) модельдердің дамуы жеңілдетілді. 1980 жылдардың басында модельдер топырақ пен өсімдіктердің атмосферамен өзара әрекеттесуін қамти бастады, бұл нақтырақ болжамдарға әкелді. Атмосфералық динамикаға негізделген болжам модельдерінің нәтижелері Жер бетіндегі ауа райының кейбір егжей-тегжейін анықтай алмайды. Сондықтан, 1970 және 1980 жылдары сандық ауа райы моделінің нәтижелері мен жер бетіндегі жағдайлар арасындағы статистикалық байланыс жасалды, ол модельдік нәтижелер статистикасы (MOS) деп аталды. 1990 жылдардан бастап, болжамның белгісіздігін анықтауға және сандық ауа райын болжаудың мүмкін болатын мерзімін одан әрі ұзартуға көмектесу үшін модельдік ансамбльдік болжамдар қолданыла бастады. Елдік ауа райы қызметтерінің негізгі кірістері – ауа райы шарларындағы әртүрлі атмосфералық параметрлерді өлшейтін және оларды тұрақты қабылдағышқа, сондай-ақ ауа райы спутниктеріне жіберетін құрылғылардан (радиозондтар деп аталады) алынған бақылаулар болып табылады. Дүниежүзілік метеорологиялық ұйым бүкіл әлем бойынша аспаптарды, бақылау әдістерін және осы бақылаулардың уақытын стандарттауға тырысады. Станциялар сағат сайын METAR есептерінде немесе SYNOP есептерінде әр алты сағат сайын хабарлайды. Бұл бақылаулар біркелкі емес, сондықтан олар деректерді ассимиляциялау және объективті талдау әдістерімен өңделеді, олар сапаны бақылайды және модельдің математикалық алгоритмдері пайдалана алатын орындарда мәндерді анықтайды. Содан кейін бұл деректер модельде болжамның бастапқы нүктесі ретінде қолданылады. Сандық модельдерде пайдалану үшін бақылау деректерін жинау үшін әртүрлі әдістер қолданылады. Бұл жерлер тропосферадан жоғары көтеріліп, стратосфераға дейін жететін ауа райы шарларында радиозондтар ұшырылады. Метеорологиялық спутниктерден алынған ақпарат дәстүрлі дерек көздері жоқ жерлерде қолданылады. Коммерциялық ұйымдар ұшқыштардың әуе бағыттары бойынша және кемелердің теңіз бағыттары бойынша есептерін ұсынады. Зерттеу жобалары барлау ұшақтарын тропикалық циклон сияқты қызығушылық тудыратын ауа райы жүйелерінде және олардың айналасында ұшу үшін пайдаланады. Сонымен қатар, барлау ұшақтары ашық мұхиттар үстінен суық маусымда ауа райының болжамын анықтау қиын болатын немесе болашақта үш-жеті күн ішінде континенттің төменгі ағысында үлкен әсері болуы күтілетін жүйелерге ұшады. Теңіз мұзы 1971 жылы болжам модельдерінде бастамалау басталды. 1972 жылы мұхит бетінің температурасын модельді бастау кезінде ескеруге тырысу басталды, өйткені ол Тынық мұхитының жоғары ендіктеріндегі ауа райының өзгеруіне әсер етеді.

Есептеу

Атмосфералық модель – белгілі бір жерлер мен биіктіктердегі болашақ уақыт үшін метеорологиялық ақпаратты шығаратын компьютерлік бағдарлама. Кез келген заманауи модельде атмосфераның болашақ жағдайын болжау үшін қолданылатын примитивті теңдеулер деп аталатын теңдеулер жиынтығы бар. Бұл теңдеулер – идеалдық газ заңымен бірге – тығыздықты, қысымды және ықтимал температураның скалярлық өрістерін, сондай-ақ ауа жылдамдығының (желдің) векторлық өрісін уақыт өте келе өзгертуге қолданылады. Кейбір примитивті теңдеулердің жоғары ажыратымды модельдеріне ластаушы заттар мен басқа аэрозольдар үшін қосымша тасымалдау теңдеулері де енгізілген. Қолданылатын теңдеулер – сызықтық емес бөлшектік дифференциалдық теңдеулер, оларды бірнеше идеалданған жағдайларды қоспағанда, талдамалық әдістермен дәл шешу мүмкін емес. Сондықтан, сандық әдістер шамамен шешімдерді алуға мүмкіндік береді. Әртүрлі модельдер әртүрлі шешім әдістерін қолданады: кейбір жаһандық модельдер мен дерлік барлық өңірлік модельдер үш кеңістіктік өлшемнің барлығы үшін шекті айырмашылық әдістерін қолданады, ал басқа жаһандық модельдер мен бірнеше өңірлік модельдер көлденең өлшемдер үшін спектрлік әдістерді, ал тік өлшем үшін шекті айырмашылық әдістерін қолданады. Жаһандық модельдер үшін уақыт қадамдары ондаған минутты құрайды, ал өңірлік модельдер үшін – бірден төрт минутқа дейін. Жаһандық модельдер болашаққа әртүрлі уақыт аралығында жұмыс істейді. UKMET Бірыңғай моделі болашаққа алты күнге, ал Еуропалық орташа мерзімдік ауа-райы болжамының біріктірілген болжау жүйесі және Канаданың Экологиялық ортасының жаһандық экологиялық көп масштабты моделі болашаққа он күнге, ал Экологиялық модельдеу орталығы жүргізетін жаһандық болжау жүйесінің моделі болашаққа он алты күнге есептеледі. Модельдік шешімнің визуальды нәтижесі – прогностикалық диаграмма немесе prog деп аталады.

Параметрлеу

Кейбір метеорологиялық процестер сандық ауа райын болжау модельдеріне тікелей қосылуға тым кішкентай немесе тым күрделі болып табылады. Параметрлеу – бұл модель шешетін масштабтағы айнымалылармен байланыстыра отырып, осы процестерді ұсыну процедурасы. Мысалы, ауа райы және климат модельдеріндегі торлы ұяшықтардың қабырғаларының ұзындығы мен ені аралығында болады. Типикалық кумулятивтік бұлттың масштабы -ден кіші, ал оны сұйықтық қозғалысының теңдеулері арқылы физикалық тұрғыда көрсету үшін одан да ұсақ тор қажет болады. Сондықтан, мұндай бұлттар ұсынатын процестер әртүрлі деңгейдегі күрделілікпен параметрленеді. Ең алғашқы модельдерде, егер модельдік тор ұяшығындағы ауа бағаны шартты түрде тұрақсыз болса (яғни, төменгі жағы жоғарыдан жылырақ және ылғалдырақ болса) және бағанның кез келген нүктесіндегі су буының мөлшері қаныққан болса, онда ол аударылады (жылы, ылғалды ауа көтеріле бастайды) және сол тік бағандағы ауа араласады. Көбірек жетілдірілген схемалар, ұяшықтың тек бір бөлігі ғана конвекцияға ұшырауы мүмкін екенін, сондай-ақ ену және басқа да процестер жүреді екенін мойындайды. өлшемдері аралығында торлы ұяшықтары бар ауа райы модельдері конвективтік бұлттарды тікелей көрсетуге қабілетті, бірақ олар кішкентай масштабта жүретін бұлттардың микрофизикасын параметрлеуі керек. Ірі масштабтағы (стратус типтес) бұлттардың пайда болуы физикалық негіздемеге көбірек сүйенеді; олар салыстырмалы ылғалдылық белгілі бір мәнге жеткенде пайда болады. Бұлттың мөлшері осы салыстырмалы ылғалдылықтың маңызды мәнімен байланысты болуы мүмкін. Жерге жететін күн сәулесінің мөлшері, сондай-ақ бұлт тамшыларының пайда болуы молекулалық масштабта жүреді, сондықтан оларды модельге қосу алдында параметрлеу қажет. Таулардың тудырған атмосфералық кедергісі де параметрленуі керек, өйткені биіктік контурларының ажыратымдылығындағы шектеулер кедергіні айтарлықтай төмен бағалайды. Бұл параметрлеу әдісі мұхит пен атмосфера арасындағы энергияның беттік ағыны үшін де қолданылады, реалистік теңіз бетінің температурасын және мұхит бетіне жақын теңіз мұзының түрін анықтау үшін. Күн бұрышы, сондай-ақ бірнеше бұлт қабаттарының әсері ескеріледі. Топырақ түрі, өсімдік жамылғысы және топырақ ылғалдылығы қанша сәуле жылуға жұмсалатынын және жақын атмосфераға қанша ылғал тартылатынын анықтайды, сондықтан олардың осы процестерге қосқан үлесін параметрлеу маңызды. Ауа сапасы модельдерінде параметрлеулер атмосфераға шағын көздерден (мысалы, жолдар, егістіктер, зауыттар) белгілі бір тор ұяшықтарындағы эмиссияларды ескереді.

Домендер

Модельдің көлденең домені бүкіл Жерді қамтитын жаһандық немесе Жердің тек бір бөлігін қамтитын аймақтық болуы мүмкін. Аймақтық модельдер (сондай-ақ шектеулі аудан модельдері немесе LAM ретінде белгілі) жаһандық модельдерге қарағанда жіңішке тор аралығын пайдалануға мүмкіндік береді, себебі қолданылатын есептеу ресурстары Жер шарына таратудың орнына нақты бір аймаққа шоғырланған. Бұл аймақтық модельдерге жаһандық модельдің жалпы желісінде көрсетілмейтін кішкентай масштабтағы метеорологиялық құбылыстарды нақты анықтауға мүмкіндік береді. Аймақтық модельдер өздерінің доменінің шетіндегі жағдайларды (шекаралық шарттар) анықтау үшін жаһандық модельді пайдаланады, соның арқасында аймақтық модель доменінен тыс жерлердегі жүйелер оның ішкі аймағына өте алады. Аймақтық модельдердегі белгісіздіктер мен қателерге жаһандық модельдің аймақтық модельдің шекаралық шарттары үшін қолданылуы, сондай-ақ аймақтық модельдің өзіне тән қателер себеп болады. Тік координата әртүрлі жолдармен қолданылады. Льюис Фрай Ричардсонның 1922 жылғы моделі тік координата ретінде геометриялық биіктікті пайдаланған. Кейінгі модельдер геометриялық координатаны қысым координатасы жүйесімен алмастырды, онда тұрақты қысымды беттердің геопотенциалдық биіктіктері тәуелді айнымалыларға айналды, бұл бастапқы теңдеулерді едәуір жеңілдетті. Бұл координата жүйелері арасындағы байланыс болуы мүмкін, себебі қысым Жер атмосферасының биіктігімен бірге төмендейді. Оперативтік болжамдар үшін қолданылған алғашқы модель – бір қабатты баротроптық модель, ол 500 миллибар (шамамен) деңгейінде бір қысым координатын қолданды, сондықтан ол негізінен екі өлшемді болды. Жоғары ажыратымдылықты модельдер – мезомасштабты модельдер деп те аталады, мысалы, Ауа райын зерттеу және болжау моделі сигма координаттары деп аталатын нормаланған қысым координаттарын қолдануға бейім. Бұл координата жүйесі өз атын атмосфералық қысымды жер бетіндегі қысымға қатысты масштабтауға арналған тәуелсіз айнымалыдан алады, ал кейбір жағдайларда доменнің жоғарғы жағындағы қысыммен де масштабталады.

Үлгілік шығыс статистикасы

Атмосфералық динамика теңдеулеріне негізделген болжам модельдері ауа райы жағдайын толық анықтамайтындықтан, болжамдарды түзету үшін статистикалық әдістер әзірленді. Статистикалық модельдер сандық ауа райы модельдерінің үш өлшемді өрістері, жер бетіндегі бақылаулар және нақты жерлердің климаттық жағдайлары негізінде құрылды. Бұл статистикалық модельдер жиынтығы модельдік нәтижелер статистикасы (MOS) деп аталады және 1960 жылдардың соңында Ұлттық ауа райы қызметі тарапынан ауа райын болжау модельдері жиынтығы үшін әзірленді. Модельдік нәтижелер статистикасы сандық ауа райы болжамының нәтижелерінің мінсіз екенін қабылдайтын кемелді прог техникасынан өзгеше. MOS жеткіліксіз торлық ажыратымдылығына байланысты модельде шешілмейтін жергілікті әсерлерді, сондай-ақ модельдің қателіктерін түзетуге мүмкіндік береді. MOS тиісті жаһандық немесе аймақтық модельден кейін іске қосылатындықтан, оның өндірісі кейін өңдеу деп аталады. MOS-тағы болжам параметрлеріне ең жоғары және ең төменгі температуралар, бірнеше сағат ішінде жаңбыр жауу ықтималдығы, күтілетін жауын-шашын мөлшері, жауын-шашынның қатты болу ықтималдығы, найзағай болу ықтималдығы, бұлттылық және жер бетіндегі жел жатады.

Ансамбльдер

1963 жылы Эдвард Лоренц ауа райы болжамына қатысты сұйық динамикасының теңдеулерінің хаотикалық сипатын ашты. Температура, жел немесе сандық модельдерге берілген басқа бастапқы мәліметтердегі өте шағын қателер әр бес күнде күшейіп, екі есеге артады. 1969 жылы Эдвард Эпштейн атмосфераны бір ғана болжаумен толық сипаттау мүмкін еместігін мойындады және атмосфераның күйі үшін орташа мәндер мен дисперсияларды алу үшін стохастикалық Монте-Карло симуляцияларының жиынтығын пайдалануды ұсынды. Бұл жиынтықтың алғашқы мысалы нәтижелі болғанымен, 1974 жылы Сесил Лейт атмосферадағы ықтималдық үлестірімінің өкілдік үлгісі болған кезде ғана олардың жеткілікті болжамдар жасағанын көрсетті. 1990 жылдардан бастап ауа райы процестерінің стохастикалық сипатын ескеру үшін (қалыпты болжам ретінде) жиынтық болжамдар қолданыла бастады, яғни олардың ішкі белгісіздіктерін шешу үшін. Бұл әдіс әртүрлі физикалық параметризацияларды немесе әртүрлі бастапқы жағдайларды пайдалану арқылы жеке болжам моделімен жасалған бірнеше болжамды талдауды қамтиды. 1992 жылдан бастап Еуропалық орта мерзімді ауа райы болжау орталығы (ECMWF) және Ұлттық қоршаған ортаны болжау орталықтары дайындаған жиынтық болжамдар, болжамның белгісіздігін анықтауға көмектесу және сандық ауа райын болжаудың мүмкін болатын мерзімін болашаққа қарай ұзарту үшін пайдаланылды. ECMWF бастапқы ықтималдық тығыздығын симуляциялау үшін сингулярлық векторларды қолданады, ал NCEP жиынтығы, Global Ensemble Forecasting System, векторлық өсіру деп аталатын әдісті қолданады. Ұлыбритания метеорологиялық қызметі жаһандық және аймақтық жиынтық болжамдарды жүргізеді, онда бастапқы жағдайларға қатысты 24 жиынтық мүшесі Мет-офистің жаһандық және аймақтық жиынтық болжау жүйесінде (MOGREPS) 24 түрлі болжам жасау үшін қолданылады. Бір модельге негізделген тәсілде жиынтық болжам әдетте бір болжам айнымалысына қатысты жеке болжамдардың орташасы, сондай-ақ жиынтық жүйедегі әртүрлі болжамдар арасындағы келісім дәрежесі ретінде бағаланады, бұл олардың жалпы таралуымен көрсетіледі. Жиынтық таралуы спагетти диаграммалары сияқты құралдар арқылы диагностикаланады, олар болашақтағы белгілі бір уақыт кезеңдері үшін прогностикалық диаграммаларда бір шаманың таралуын көрсетеді. Жиынтықтың таралуын пайдаланатын тағы бір құрал – метеограмма, ол бір нақты орын үшін бір шаманың болжамындағы таралуды көрсетеді. Жиынтықтың таралуы шын мәнінде болатын ауа райын қамту үшін тым тар болуы жиі кездеседі, бұл болжаушылардың модельдің белгісіздігін дұрыс диагностикалауына әкелуі мүмкін. Жиынтықтың таралуы тар болғанда және болжам шешімдері бірнеше модельді орындау кезінде сәйкес келгенде, болжаушылар жиынтықтың орташа мәніне және жалпы болжамға көбірек сенімділік сезінеді. Осы түсінікке қарамастан, таралудың шеберлігі арасындағы байланыс көбінесе әлсіз немесе табылмайды, өйткені таралу қателіктерінің өзара байланысы әдетте 0,6-дан аз, ал тек ерекше жағдайларда 0,6 мен 0,7 аралығында болады. Бір модельден алынған көптеген болжамдарды жиынтық құру үшін қолдануға болатын сияқты, бірнеше модельдерді жиынтық болжам жасау үшін біріктіруге болады. Бұл тәсіл көп модельді жиынтық болжау деп аталады және ол бір модельге негізделген тәсілге қарағанда болжамды жақсартатыны дәлелденді. Көп модельді жиынтықтағы модельдерді олардың әртүрлі бұрмалауларына қарай реттеуге болады, бұл суперансамбль болжауы деп аталатын процесс. Бұл болжам түрі модельдің нәтижесіндегі қателерді едәуір азайтады.

Ауа сапасының үлгісі

Ауа сапасын болжау – ластаушы заттардың концентрациясы халық денсаулығына қауіпті деңгейге жететін уақытты анықтауға бағытталған. Атмосферадағы ластаушы заттардың концентрациясы олардың тасымалдануы, яғни атмосфера арқылы қозғалудың орташа жылдамдығы, таралуы, химиялық өзгерістері және жер бетіне шөгуі арқылы анықталады. Бұл модельдер ластаушы заттардың көзі және жер бедері туралы ақпараттан өзге, олардың тасымалдануын және таралуын анықтау үшін атмосферадағы ағын күйі туралы деректерді қажет етеді. Термиялық инверсия сияқты метеорологиялық жағдайлар жер бетіндегі ауаның жоғары көтерілуін тоқтатып, ластаушы заттарды жер бетіне жақын ұстайды, сондықтан мұндай құбылыстарды дәл болжау ауа сапасын модельдеу үшін өте маңызды. Қалалық ауа сапасы модельдеріне өте ұсақ есептеу торлары қажет, бұл жоғары ажыратымдылықтағы мезомасштабты ауа райы модельдерін пайдалануды талап етеді; осыған қарамастан, ауа сапасын болжаудағы басты белгісіздік – сандық ауа райы болжамдарының сапасы болып табылады. Климаттық қолданысқа арналған, ондаған және жүздеген жылдарды қамтитын нұсқалар 1969 жылы Нью-Джерси штатының Принстон қаласындағы Геофизикалық сұйықтық динамикасы зертханасында Сюкуро Манабе және Кирк Брайан есімді ғалымдар жасаған. Модельдер ондаған жылдар бойы жұмыс істегенде, есептеу мүмкіндіктерінің шектеулігіне байланысты олар кіші масштабты өзара әрекеттесулерді ескермейтін ірі торды пайдалануға мәжбүр.

Мұхит бетін модельдеу

Мұхит бетінде соққан жел мен мұхиттың жоғарғы қабаты арасындағы энергия алмасуы толқын динамикасының маңызды бөлігі болып табылады. Спектрлік толқын тасымалдау теңдеуі өзгеріп отыратын бедерде толқын спектрінің өзгеруін сипаттау үшін қолданылады. Ол толқынның пайда болуын, толқын қозғалысын (сұйық ортада таралуын), толқынның беткейге жақындауын, сынуын, толқындар арасындағы энергияның берілуін және толқынның ыдырауын модельдейді. Желдер спектрлік толқын тасымалдау теңдеуіндегі басты күш түрткіші болғандықтан, мұхит толқыны модельдері атмосферадан мұхит бетіне қанша энергия берілетінін анықтау үшін сандық ауа райын болжау модельдерінен алынған деректерді пайдаланады. Ақ шапшаңдар арқылы энергияның таралуымен және толқындар арасындағы резонанспен қатар, сандық ауа райы модельдерінен алынған желдер теңіз бетінің күйін дәлірек болжауға мүмкіндік береді.

Тропикалық циклонды болжау

Тропикалық циклонды болжау сандық ауа райы модельдері ұсынатын деректерге де сүйенеді. Тропикалық циклон болжамын жасауға арналған үш негізгі модель классы бар: Статистикалық модельдер климатологияны пайдаланып дауылдың қалып-құлқын талдауға негізделген, дауылдың орны мен күнін байланыстырып, сол кездегі атмосфера физикасына сүйенбеген болжам жасайды. Динамикалық модельдер – атмосферадағы сұйық ағынының басқару теңдеулерін шешетін сандық модельдер; олар басқа шектеулі аймақтық сандық ауа райы болжау модельдерімен бірдей принциптерге негізделген, бірақ циклонмен бірге қозғалатын кеңістіктік домендерді жақсарту сияқты арнайы есептеу әдістерін де қамтуы мүмкін. Екі тәсілдің де элементтерін пайдаланатын модельдер статистикалық-динамикалық модельдер деп аталады. 1978 жылы атмосфералық динамикаға негізделген алғашқы дауылды қадағалау моделі – жылжымалы ұсақ торлы (MFM) моделі – жұмыс істеуге кірісті. Сандық ауа райы болжамына сүйенген тропикалық циклонның қарқындылығын болжау әлі де қиындық тудырады, себебі статистикалық әдістер динамикалық болжамдарға қарағанда жоғары нәтижелер көрсетуде.

Жаңбыр өртті модельдеу

Молекулалық деңгейде, өрт кезінде целлюлозаның немесе ағаш отындарының ыдырауына қатысатын екі негізгі бәсекелес реакциялық процесс бар. Целлюлоза талшығындағы ылғал мөлшері төмен болғанда отынның булануы жүреді; бұл процесс жанудың көзіне айналатын аралық газ тәрізді өнімдерді жасайды. Егер ылғал болса немесе талшықтан жеткілікті мөлшерде жылу кетірілсе, көмірлену пайда болады. Екі реакцияның химиялық кинетикасы, ылғал деңгейі жеткілікті төмен және/немесе қызу жылдамдығы жеткілікті жоғары болғанда, жану процестері өздігінен жүзеге асуы мүмкін болатын нүкте бар екенін көрсетеді. Осылайша, атмосфераның әртүрлі деңгейлеріндегі желдің жылдамдығы, бағыты, ылғалдылығы, температурасы немесе тік градиентінің өзгеруі өрттің мінез-құлқы мен өсуіне маңызды әсер ете алады. Өрт атмосфералық ағымға жылу көзі ретінде әрекет ететіндіктен, ол жергілікті адвекция үлгілерін өзгерте алады, соның салдарынан өрт пен атмосфера арасындағы кері байланыс циклі құрылады. Жел мен жер бедерінің әсерін көрсету үшін конвекцияны, сондай-ақ жылу тасымалдаудың басты әдісі ретінде сәулелі жылу алмасуын пайдаланған өрт таралуының жеңілдетілген екі өлшемді моделі, жартылай дифференциалдық теңдеулердің реакция-диффузиялық жүйесіне алып келді. Күрделірек модельдер, сандық ауа райы модельдерін немесе есептеулік сұйықтық динамикасы модельдерін өрт компонентімен біріктіреді, бұл өрт пен атмосфера арасындағы кері байланыс әсерлерін бағалауға мүмкіндік береді.