計算地球科學(xué)的特點是采用大規(guī)模非線性模型，在廣泛的長度和時間尺度范圍內(nèi)將多種物理、化學(xué)和生物過程結(jié)合起來。這篇文章為大家?guī)黻P(guān)于澳洲國立大學(xué)的計算地球科學(xué)課。

一、課程概覽

本課程介紹計算機編程和 Python 編程語言的基本概念。課程針對地球科學(xué)家的需求。課程旨在(i) 培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力;(ii) 讓學(xué)生清楚地了解計算機編程的基本概念，使他們能夠很好地學(xué)習(xí)研究中所需的任何編程語言;(iii) 確保所有學(xué)生都具備 Python 編程語言的核心能力，這些能力將在以后的研究中用于建模、編寫腳本、分析和處理數(shù)據(jù)以及為演示文稿和出版物生成高質(zhì)量的圖表等任務(wù)。

二、關(guān)于地球科學(xué)

解決復(fù)雜的跨學(xué)科問題需要在高性能計算機上運行先進的數(shù)值算法。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，聯(lián)合研究小組的研究人員與計算工程與科學(xué)研究所(ICES)和德克薩斯高級計算中心(TACC)開展了合作。

計算地球科學(xué)學(xué)科是杰克遜地球科學(xué)學(xué)院計算和建模活動的重點，其作用包括

匯集杰克遜學(xué)院三個單位和所有研究主題的計算研究人員

在杰克遜地球科學(xué)學(xué)院內(nèi)培養(yǎng)大規(guī)模建模和模擬文化

為建模和數(shù)據(jù)界面的研究注入活力，促進反演方法的更廣泛應(yīng)用。

開發(fā)獨特的課程，培養(yǎng)精通計算并準(zhǔn)備成為該領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的新一代地球科學(xué)家。

三、氣候建模

杰克遜學(xué)院的氣候建模活動包括與 NCAR 開發(fā)的全球和區(qū)域氣候系統(tǒng)綜合模型的整合，以及為這些模型提供過程組件。研究重點強調(diào)氣候動力學(xué)、同化和預(yù)測的基本原理、陸地氣候和陸地過程，特別是涉及冠層輻射和與水文循環(huán)耦合的過程。后者包括積雪、凍土、地下水位、徑流和基于矢量的河流路徑。洪水和干旱的機制和過程是當(dāng)前特別關(guān)注的問題。

四、地球動力學(xué)建模

地幔對流驅(qū)動著板塊構(gòu)造和大陸漂移，進而控制著地震和火山的發(fā)生、山脈的形成以及海平面的長期變化。全球地幔對流建模的主要挑戰(zhàn)在于解決空間和時間尺度的廣泛性以及物質(zhì)屬性的數(shù)量級變化。杰克遜學(xué)院的計算地球動力學(xué)研究旨在創(chuàng)建地幔對流過程的先進數(shù)學(xué)和計算模型，通過先進的離散化、自適應(yīng)網(wǎng)格細化以及在最先進的超級計算機上運行的可擴展并行求解器來克服上述挑戰(zhàn)。一個新的方向是開發(fā)反演方法，將觀測數(shù)據(jù)同化到地幔流動模型中。

五、多孔介質(zhì)流動建模

多孔介質(zhì)在整個地球科學(xué)領(lǐng)域無處不在，多孔介質(zhì)流動的計算建模是杰克遜學(xué)院三個研究單位的共同興趣所在。活動范圍從特定野外地點的復(fù)雜大規(guī)模模擬到基本地質(zhì)和環(huán)境過程的納米級傳輸模型。研究課題包括海洋甲烷水合物動力學(xué)、頁巖地層納米孔隙中的流體流動、成巖過程中的反應(yīng)傳輸、地幔中的部分熔化和熔體遷移。研究人員對提高油氣采收率和二氧化碳地質(zhì)封存項目或水資源可持續(xù)管理進行優(yōu)化設(shè)計。

六、逆建模

計算地球科學(xué)的核心挑戰(zhàn)之一是將觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)地同化到大規(guī)模模擬中，以處理和描述模型參數(shù)及其相關(guān)的不確定性。這需要考慮到測量誤差、這些測量的尺度依賴性以及地球物理屬性與觀測數(shù)據(jù)之間的不確定性。杰克遜學(xué)院在數(shù)據(jù)同化反演方法的開發(fā)及其在地震學(xué)、熱歷史和氣候建模等領(lǐng)域的應(yīng)用方面一直處于領(lǐng)先地位。

七、地球物理學(xué)

理論和計算地球物理學(xué)的研究包括：解決反演問題，從大型數(shù)據(jù)集中估算復(fù)雜的多參數(shù)地球模型;開發(fā)數(shù)值方法，通過有限元和有限差分方法模擬復(fù)雜材料中的波傳播和變形;推斷和分析復(fù)雜系統(tǒng)，如地球的氣候變化;以及開發(fā)使用并行處理架構(gòu)的算法。研究人員將地球物理數(shù)據(jù)集與各種尺度的物理特性聯(lián)系起來，包括整個地球結(jié)構(gòu)、板塊構(gòu)造、沉積盆地、流體儲層和孔隙尺度。

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