کامپیوتر و الگوریتم های پیش بینی

زمینه های شکل گیری کامپیوتر

در سال ۱۹۴۶ هرمان گلدستین، افسر نیروی دریایی ایالت متحده، و جان فون نویمان، ریاضیدان مجارستانی آمریکا، به وضعیت آنالیزها و علم به عنوان “رکود در ورود به مشکلات غیر خطی”اشاره داشتند ([۱]. آنها در ذهن خود مدل های عددی و ماشین محاسبات خودکار داشتند که برای کمک به غلبه بر این رکود در نظر گرفته شد.

سوال اساسی آنها به این صورت مطرح شده بود که: “تا چه اندازه استدلال انسان در علم توانست به وسیله مکانیسم‌های موثرتر جایگزین شود؟” مکانیزم‌های گلدستاین و فون نویمان ادغام معادلات دیفرانسیل با ماشین‌های محاسباتی خودکار بود. این مکانیزم ها باید با” محاسبات از یک نظریه بلامنازع با اندازه گیری مستقیم جایگزین شوند. بنابراین واضح به نظر می‌رسد که این مکانیزم‌ها تونل‌های بادی هستند، برای مثال ، در حال حاضر ، با ادغام معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی از دینامیک سیالات استفاده می شود. هر چند که دستگاه های دیجیتال انعطاف پذیری بیشتر و دقت بیشتر دارند.  “به عبارت دیگر ، به جای  استفاده از آزمایش برای محاسبات، کامپیوترها باید برای آزمایش از عددها استفاده کننند. هرچند محاسبات کارسختی است ولی اگر به دهه ۱۶۰۰ برگردیم متوجه می‌شویم کپلر در آن زمان برای محاسبه مدار مریخ به محاسبات گسترده‌ای نیاز داشت. در حقیقت، اوبرای  محاسبات خود به سالها زمان نیاز داشته است. اما او در پایان نجوم را به یک علم خرد شده تبدیل کرده بود. قبل از اختراع ماشین های محاسباتی خودکار که “کامپیوتر”  نامیده می‌شود، محاسبات توسط انسان انجام می‌شد، در مطالعه خود درمورد زمانی که ماشین های محاسباتی  توسط هیومند دیوید گریر[۲] تاریخ گروه های محاسبات  انسان، کاوش شدند.

شاید بهترین توصیف ممکن “علم حلقه آبی” باشد، کار سخت پردازش داده یا استنتاج پیش بینی از تئوری های علمی هر چند بسیاری از رایانه های انسان به تنهایی زحمت می کشند، با نفوذ ترین کار در گروه های سازمان یافته کار می باشد که در بعضی مواقع دفاتر محاسباتی یا ازمایشگاه های محاسبه نامیده شده بود. این گروه ها  برخی از اولین نمونه‌های پدیده‌ای است که به طورغیررسمی به عنوان ” علم بزرگ”، شناخته شده است که ، ترکیبی از نیروی کار، سرمایه، و ماشین آلات که مشکلات بزرگ تحقیقات علمی را به عهده گرفته است، را تشکیل می دهند ( گریر ، ۲۰۰۵).

این آزمایشگاه‌های محاسباتی پیشگامان گروه محاسباتی امروز بودند. طرح‌های محاسباتی آنها به الگوریتم‌های پیش بینی کننده و شبیه سازی های عددی تبدیل شده است.  ماشین های مکانیکی آنها حسابگرهای رومیزی ، خط کش مهندسی، و ماشین آلات جدول بندی –به  ابر رایانه های غول پیکر تبدیل شده اند.  پیش بینی های عددی با دست برای اولین بار به اوج خود در اواخر قرن نوزده رسید ، نیاز به محاسبه به شدت افزایش یافته است، به طوری که توسعه روش های عددی و شیوه های محاسباتی یک هسته چالش برانگیز برای علم شده بود. مسابقه برای وسایل محاسبات بهتر و سریع تر و ماشین آلات بود که هنوز تحریک کننده پیشرفت علم و مهندسی شده بود. پیش بینی، بهینه سازی، و برنامه ریزی دلایل اصلی این نیاز بود.

کامپیوتر پیشگام U.S.-American وانوار بوش این شیوه تولید دانش را “تحلیل ابزاری” نامید. تحت شرایط تحلیل ابزاری است که پیشرفت تجزیه و تحلیل با استفاده از دستگاه ها  برای تکمیل  استدلال خالص گروه بندی می شود.( بوش، ۱۹۳۶)[۳]. بوش به این نتیجه رسید که، اشاره به آخرین پیشرفت‌ها  در آغاز عصرکامپیوتر در دهه ۱۹۳۰، ” یک مقدار بزرگ  علم حساب بیشتر و علم بهتر در جهان نسبت به آنچه استفاده می‌شد، وجود دارد “. این بیانیه توسط ابر رایانه های امروزی بی اندازه گسترش یافته است.

به منظور تقویت ابزار آنالیز دو چیز مورد نیاز بود: ماشین های محاسباتی اتوماتیکی کارآمد و متدهای عددی پیشرفته.

عصرکامپیوتر زمانی‌ شروع شد که جریان انرژی و جریان نمادها درهم آمیخت و ماشین‌های محاسباتی همه منظوره وارد صحنه شدند تحلیل‌کننده تفاضلی بوش، یک کامپیوترآنالوگ مکانیکی برای یکپارچه سازی معادلات دیفرانسیل، بین سالهای ۱۹۲۸ تا ۱۹۳۲ در انستیتوی تکنولوژی ماساچوست ساخته شد، که پیشرو برای ماشین‌های جدید بود.

ماشین محاسباتی دیگر گردنده الکتریکی جفتی حسابگر مکانیکی Z1 زوس کنراد بود، که توانایی برنامه ریزی محدود را به دست آورد. این ماشین محاسباتی با گردنده الکتریکی جفتی حسابگر مکانیکی Z3 زوس کنراد در سال ۱۹۴۱، اولین کامپیوتر الکترومیکانیکی کاملا عملیاتی را ایجادکرد. سرانجام در سال ۱۹۴۶ ، اولین کامپیوتر الکترونیکی همه منظوره معرفی شد: کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی (ENIAC). کامپیوتر انتگرال‌گر عددی الکترونیکی (ENIAC) از ۱۸۰۰۰ لامپ خلاء ، با یک طرح محاسباتی متاثر از حسابگرهای رومیزی مکانیکی تشکیل شد، با نیروی برق و با دست عمل می کرد. بعد از آن کارت الکترومکانیکی راه افتاده با ماشین های IBM ( بورکس، ۱۹۸۰)[۴] شروع شد. محاسبات به طور باورنکردنی برای این زمان سریع بود. در حالی که یک کامپیوتر با تجربه انسانی به ۷ ساعت زمان برای محاسبه یک مسیر مجزا بر اساس ۷۵۰ عملیات محاسبه بالستیکی نیاز داشت ، تحلیل کننده تفاضلی بوش ۱۰ تا ۲۰ دقیقه زمان نیاز داشت، این زمان به ۲.۲۵ با کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی (ENIAC) کاهش می یافت ( گلدستاین و فون، ۱۹۴۶)[۵]. اما کار با کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی(ENIAC) با این حقیقت که هر محاسبه جدید باید سخت- سیم باشد، کندشده بود. کابل‌های پیچ و خم دار باید قطع و دوباره وصل می شد، و آرایش سوئیچ باید به صورت دستی تنظیم می شد (کرازی، ۱۹۹۸)[۶]. در حالی که محاسبات به خودی خود سریع بود، نصب کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی(ENIAC) برای روزها طول می کشید.

دانلود نرم افزار های کامپیوتری تحلیل اقتصادی مالی

کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی(ENIAC) برای حل معادلات  دیفرانسیل ساخته شد. جون ون نیومن گروه کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی(ENIAC) رادر سال  ۱۹۴۴ به هم پیوند دادند، همچنان که او به عنوان یکی از کارشناسان نادر در حل معادلات دیفرانسیل عددی شناخته شده می شد. در لوس الاموس او در محاسبات بالستیک درگیر بود، و به خوبی اگاه بود که غلبه بر  محدودیت های تجزیه و تحلیل سریع ماشین آلات محاسبات خودکار بزودی ضروری خواهد بود. اما محاسبات خودکار مورد نیاز یک روش برای محاسبه روزمره شامل یکپارچه سازی تدریجی متغیرها است ( نئومان فون و ریچ مایر، ۱۹۴۷)[۷]. معادلات باید به مدل های عددی برگردانده شوند که گام به گام حل شوند. چنین روشی جدید نبود. طرح‌های محاسباتی ستاره شناسان یک روش عددی گام به گام به صورت دستی بود که برای محاسبات پیشروی سیارات و ستاره های دنباله دار با فواصل کوچک استفاده می شد. اما حالا همه محاسبات باید در پیشرفت آماده شوند و سپس ماشین برای محاسبات انها را اجرا کند. بنابراین معادلات دیفرانسیل باید به معادلات تفاضل تبدیل شود. و این طرح برای محاسبات گام به گام کدگذاری و پریز شود. ” رمز گذاری” . گلدستاین و فون در سال ۱۹۴۷ ” ، شروع با رسم  نمودار جریان] … و[ رمز گذاری هر جعبه عمل،  جعبه جایگزین  و متغیر ارتباط از راه دور را شرح دادند (گلدستاین و فون ،۱۹۴۷)”. جریان دیاگرام اجرای گام به گام از طریق محاسبات ، که در هر یک از جعبه عملیات حاوی محاسبات واقعی  بود را  نشان می داد. اما یک دیاگرام جریان لزوما فرایند محاسباتی خطی را ارائه نمی دهد. در حقیقت،  یک رقص آرایی پیچیده  از حلقه‌ها و حلقه‌های جایگزین است که فهم مسیرهای گوناگون در میان محاسبات  یک مدل عددی را حمل می کند.

گلدستاین و ون نویمن مسیر واقعی محاسبه در میان دستورالعمل را روش پروسیدین‌دی(procedendi) نامیدند. این روش پروسیدین‌دی(procedendi) رفتار یک سیستم را که برای هر مرحله زمانی محاسبه می‌شود، آشکار می‌کند. در مورد محاسبات بالیستیک، آن گام به گام از میان گسترش یک موج انفجار براساس مدل عددی معادلات اغراق آمیز کار می کند. در مورد محاسبات اتمسفری، آن توسعه گام به گام فشار، درجه حرارت یا میدان بادی را محاسبه می کند. بنابراین، شبیه سازی مدلی عددی- کدگذاری شده و پریزشده –رفتار یک سیستم را فعال می کند تا پیش بینی شود. هنگامی‌که اولین مترجم فرمول FORTRAN  زبان برنامه نویسی در سال ۱۹۵۴ انتشار یافت- کدگذاری و پریز کردن دستی- به یک روش مجزا ادغام شد: نوشتن الگوریتم های پیش بینی. از آن  روز به بعد علم، توسط یک سبک تحقیقات ، به عنوان مثال فردریک نبیکر در مطالعه آموزنده خود روی محاسبه آب و هوا اشاره کرد، “که نتایج ساخت یک الگوریتم پیش بینی کننده که هدف غایی هرکسی است ” ایجاد شده است (نبیکر، ۱۹۹۵)[۸].

محاسبه سیستم آب و هوا

ویلهلم بیجرکنس یک مدل ریاضی از گردش عمومی اتمسفر را براساس سه معادله هیدرودینامیکی حرکت ، معادله پیوستگی، معادله ایستاتیک برای اتمسفر و دو قاعده اساسی در نظریه مکانیک گرما تشریح کرد. با این حال، استنتاج یک راه حل دقیق برای این مجموعه از معادلات ممکن نیست،  و استخراج الگوریم پیش بینی آسان نبود. در حالی که بیجرکنس از روش های محاسباتی گرافیکی استفاده کرد، در طول دهه ۱۹۱۰ لویس ریچاردسون ، یک دانشمند بریتانیایی، تلاش کرد تا یک طرح محاسباتی که با دست محاسبه خواهد شد به دست آورد. این طرح بیش از ۲۰۰ صفحه از این کتاب را درباره پیش بینی عددی هوا پوشش میداد که در سال ۱۹۲۲ منتشر شد.

طبقه بندی اقلیمی آمبرژه در اکسل آماده

تحلیل تغییرات آب و هواشناسی (اقلیمی) پارامترهای جوی (اتمسفری) در حوضه آبریز دریاچه ارومیه با سنجش از دور

دانلود اطلاعات آب و هوایی فوری

به منظور اعمال طرح او و محاسبه عددی آن ریچاردسون باید اتمسفر را به صورت افقی به یک شبکه با ۱۳۰ کیلومتر بین هر نقطه شبکه تقسیم کند. این اندازه به توزیع ایستگاه های مشاهداتی هوا در بریتانیا در آن زمان مربوط بود. اگرچه این ایستگاه ها نامنظم توزیع شده بود. ریچارد از یک شبکه  منظم استفاده کرد.  او برای تفکیک پذیری عمودی هفت لایه را تعریف کرد. برای این مدل سه بعدی از پراکندگی توده‌های هوا استفاده کرد او تلاش کرد  تا توسعه میدان‌های فشار را برای ۶ ساعت محاسبه کند.  محاسبه دستی پیش ‌بینی فقط برای دو تا از مربع‌های شبکه آن نمودار از  ۴ تا ۱۰ صبح در ۲۰ مه ۱۹۱۰ زمان گرفت، اما موفق نشد. او افزایشی در فشار هوا از ۱۴۵ میلی بار به جای ۱ میلی بار واقعی را پیش بینی کرد(نیبکر، ۱۹۹۵). اگرچه روش او برای هواشناسی، محاسباتی پیشگامانه بود. داده ها، فرضیات و آرمان های او بیش از حد ساده بود که ناشی از قابلیت‌های محدود او برای محاسبات دستی بود. با این وجود، در بیانات بزرگ نبکر،” بجرکنس به یک مسیر جدید اشاره کرد، ریچاردسون روش پایین‌تری را پیمود، و مثال او هرکس دیگری را از رفتن به آن مسیر تا زمانی که آنها  کامپیوترهای الکترونیکی برای همراهی خود داشتند را منصرف می کرد(نبیکر،۱۹۹۵).

پیدایش مدل های محاسباتی

کامپیوترهای الکترونیکی در دهه ۱۹۴۰ به پیدا شدند. جون ون نئومن[۹] فقط در ساخت و ساز تعدادی از اولین کامپیوترهای الکترونیک ،  مانند NORC,ENIAC و کامپیوتر IAS مشغول نبوده است، او همچنین در اولین کامپیوتر- بر اساس پیش بینی هوا نیز مشارکت داشت. زمانی که ون نئومن در حال کار روی کامپیوترهای جدید IAS در موسسه ای برای مطالعه پیشرفته IAS)) در پرینستون در طول دهه ۱۹۴۰ بود، او هواشناسی را به عنوان برنامه آزمایشی برای کامپیوتر خود انتخاب کرد. ون نئومن توسط هواشناس سوئدی – امریکایی  کارل- گوستا پیشنهاد شد ، کسی که با نفوذترین شکل اولیه پیش بینی عددی هوا – در امریکا – همچنین در اروپا بود. جون ون نئومن از جولز کارنی دعوت به عمل آورد، کسی که روی روشی که از اشتباهات پیش بینی عددی ریچاردسن ، برای هدایت پروژه هواشناسی خود اجتناب کرد، کارمی‌کرد. چارنی یک روش فیلتر راکه اختلال ناشی از امواج انرژی با سرعت فاز بالا که پیچیدگی راه حل یک مدل هوایی را کاهش دهد، توسعه داده بود (چارنی، ۱۹۸۴). از ۱۹۸۴ به بعد، چارنی و همکاران او اولین مدل کامپیوتری برای پیش بینی هوا، یک مدل باروتروپیک ساده با باد ژئوستروفیک برای مناطقی از ایالات متحده آمریکا را توسعه دادند (هارپر، ۲۰۰۸)[۱۰]. در یک مدل بارتروپیک فشار منحصرا تابعی از چگالی، میدان‌های فشار برابر(ایزوبار)، جریان مداری با میدان دمای برابر(ایزوترم)، و باد ژئوستروفیک موازی  با میدان فشار مساوی (ایزوبار) است. این ساده سازی به منظور استخراج یک مدل قابل محاسبه کارامد درآن زمان ضروری بود(پیرسن،۲۰۰۵b)[۱۱]. در سال ۱۹۵۰ چرنی و همکاران او کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی(ENIAC) (کامپیوترIAS هنوز کامل نشده بود(  را برای۲۴ ساعت و  دو ۱۲ ساعت پیش بینی تغیرات در فشار سطح تراز ۵۰۰ میلی بار، مربوط به ارتفاع حدود ۵.۵۰۰ متر استفاده کردند. فاصله فضایی ۷۳۶ کیلومتر بود و شبکه شامل فواصل فضایی ۱۵*۱۸ بود( چارنی و همکاران،۱۹۵۰) .حتی برای سطح مجزا ، کامپیوتر و انتگرال‌گر عددی الکترونیکی(ENIAC) باید بیش از ۲۰۰ عملیات را به عهده بگیرد(نئومن،۱۹۴۵). در حالی که ون نئومن بعدا به طورخوشبینانه ادعا کرد که این نتایج به همان خوبی نتایج پیش بینی ذهنی توانستند حاصل شوند. دیگران تردیدهای خاص خود را داشتند، بیان می کردند که ” ۵۰۰ میلی بار ژئوپتانسیل هوا نیست”(آراکاوا،۲۰۰۰)[۱۲]. با این اوصاف، مدلهای دینامیکی در هواشناسی موثر واقع شدند، در سال ۱۹۵۶ نورمان فیلیپس شبیه سازی آب و هوا را برای اولین بار بر اساس مدل دوسطحی ساده انجام داد. نتایج او،  در مقاله اصلی  گردش عمومی اتمسفر چاپ شد : یک آزمایش عددی(فلیپس، ۱۹۵۶)[۱۳]. الگوی بادهای جهانی را دوباره تولید کرد، اگرچه در مدل شبه- ژئوستروفیک و هیدروستاتیک  فاقد کوه، تقابل بین زمین و دریا ، و دیگر جزئیات واقعی بود(لویس،۲۰۰۰)[۱۴]. با این حال آزمایشات عددی فیلیپس نشان داد که گردش عمومی جو و توسعه یک سیکلون (توسعه مناطق کم فشار که مسئول پدیده هوایی است) به یکدیگر بستگی دارد. یافته های او به بنیانگذاری بخش تحقیقات گردش عمومی جو اداره هواشناسی آمریکا در سال  ۱۹۵۵، کمک کرد که پیش بینی هوایی عددی (NWP)[۱۵]و مدل های آب وهوایی در امریکا را افتتاح کند. این بخش بعدا به عنوان آزمایشگاه دینامیک ژئوفیزیک سیالات (GFDL)[۱۶] شناخته شد.

دانلود shapefile نقاط ایستگاه ها بهمراه آمارهای دما بارش رطوبت نسبی

اگر چه پیش بینی عددی هوا بر مبنای کامپیوتر NWP در آمریکا شروع شد،آن باید ، به عنوان هواشناسی ذکر شده باشد و کریستین هارپر تاریخ دان در مطالعات خود هوا را با عددها نشان داد، که” این ‘داستان آمریکایی’ پر از ویژگی های اسکاندیناوی است- دانشمندان تئوری های هواشناختی و فرایندهای پیش بینی هوا در ایالت متحده” ) هارپر،۲۰۰۸) و به راهنمایی دانشمندان ژاپنی مثل آکیو آراکاوا و سایوکرو اهمیت دادند. همچنین خارج از ایالات متحده،  محاسبه و مدلسازی عددی به سرعت در دهه ۱۹۵۰ به اوج خود رسید. در دهه ۱۹۴۰ کیبل[۱۷] از روش های هیدرودینامیک  برای پیش بینی هوا در روسیه استفاده کرد ، گسترش یک مدل که به کار برده شد ” برای حدود ۱۵ سال برای  پیش بینی های ۲۴ ساعته در روسیه تولید می شد (وین – نیلسن،۲۰۰۱)[۱۸]. در سال ۱۹۵۴، بلوسو[۱۹]یک مدل یک سطحی روی BESM  روسی و بعدا روی کامپیوترهای Arrow محاسبه کرد (بلینوا و کیبل،۱۹۵۷; کارو،۱۹۹۵)[۲۰] علاوه بر این درسال ۱۹۵۴،گروهی از هواشناسان اسکاندیناوی با پروژه هواشناسی ون نئومن همکاری کردند که یک پیش بینی باروتروپیک روی کامپیوتر   BESK را برعهده داشت که در سال ۱۹۵۳ به پایان رسید(پیرسن،۲۰۰۵a).تلاش های مشابه در دیگر کشورها انجام شد، ازجمله توسعه و یکپارچه سازی مدل های باروکلینیک با هواشناسان بریتانیایی روی کامپیوترELO ( سایر و بوشبی،۱۹۵۳بوشبی و هایندز،۱۹۵۴)[۲۱] توسط دانشمندان فرانسوی گای ددی[۲۲] ، رابرت فن[۲۳] و جون آندرسون روی کامپیوتر CAB2022( ددی،۱۹۵۵)، و توسط هواشناسان آلمانی کارل- هینز هینکلمن[۲۴] ( هینکلمن و همکاران، ۱۹۵۲)و دیگران صورت گرفت. در اوایل سال ۱۹۴۸ اداره هواشناسی بریتانیا کارگاهی را با همکاری کالج سلطنتی درباره امکان استفاده از ماشین‌های محاسبه الکترونیکی در هواشناسی را برگزار کرد( پیرسن، ۲۰۰۵a). آکیو آراکاوا ، یک راهنمای طرح ریزی آب و هوا، دوره بین ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ ” فاز اول عصر ساخت ” نامید:

  اگر چه این کار، ارتباط چنین مدل دینامیکی ساده برای تغییر روزانه هوا برای اولین بار در تاریخ ثابت شد ، و بنابراین هواشناسان دینامیک به طور مستقیم در مسئله عملی پیش بینی مشغول به کار شدند. در این راه، هواشناسی دینامیک و هواشناسی سینوپتیک در طول این فاز ادغام شد (آراکاوا،۲۰۰۰)[۲۵].

در دهه ۱۹۶۰، موافق با  آراکاوا، “فاز باشکوه دوم ” از مدلسازی عددی اتمسفر ، بر اساس مدل‌های گردش عمومی جو(GCM) با محدودیت کمتر از مدل باروتروپیک آغاز شد. خود آراکاوا سهم عمده ای در این مرحله در سال ۱۹۶۱ با طراحی مدل معادله اولیه باهمکاری یال مینتز[۲۶] در دانشگاه کالیفرنیا در لوس آنجلس داشت. گذشته از این، مدل هایی با  فیلیپس آراکاوا مینز، و  دیگر گروها در GFDL (اسمگرینسکی، ۱۹۶۳ مناب و همکاران،۱۹۶۵)[۲۷]، در آزمایشگاه تابشی لیورمور لارنس ( لیت، ۱۹۶۴)[۲۸] و مرکز ملی برای تحقیقات اتمسفری داشت (کاساهارا و واشنگتن،۱۹۶۷)[۲۹]. در فاز دوم انجمن مدل سازی  رشد کرد و مدلسازی پیشرفت زیادی کرد. معادلات اولیه  گردش عمومی جو به طور فزاینده ای به وسیله استراتژی مدل  جدید و فرایندهای موثر بر آب و هوا تکمیل شد. در حالی که مدل های پیش بینی هوا فقط به اتمسفر مربوط است، مدل های  اقلیمی در ساده ترین شکل خود همچنین به رفتار حداقل اقیانوس و پوشش کوه یخ نیاز دارند.  دلیل این امر این است که چند متر بالای اقیانوس‌ها انرژی گرمایی بیشتری نسبت به کل اتمسفر نگه داری می‌شود. در نتیجه برای یکپارچه سازی طولانی مدت تبادل انرژی بین اتمسفر و اقیانوس باید به همان اندازه گردش اقیانوسی در نظر گرفته شود. همچنین  کوه یخ تاثیری مهیج روی بودجه انرژی زمین دارد، به این  معنا که تغییرات پوشش کوه یخ تغیییرات آب و هوا  را بالا می برد. اصطلاح پسخوراند آلبدوی یخ  –  این حقیقت که وقتی هوا گرمتر می شود ، کوه یخ اقیانوس ذوب می شود و اقیانوس آزاد تابش بیشتری از خورشید یا برعکس جذب می کند – پسخوراند البدوی یخ دلیل اصلی است که  چرا گرمایش گازهای گلخانه ای به طور قابل ملاحظه ای در عرض های قطبی بیشتر از عرض های استوایی است.  بنابراین مدل های اتمسفری باید بوسیله مدل های اقیانوسی گسترش یابد. در سال ۱۹۶۹ سی یوکرا مناب و کارک بریان نتایج اولین مدل زوج شده اتمسفر- اقیانوس توسعه یافته در GFDL را منتشر کردند ، که قادر شد تاثیر جریان های اقیانوسی روی دما و رطوبت اتمسفر را تولید کند (مناب و برین،۱۹۶۹)[۳۰]. بعدا درباره  مدل های دریا- یخ  به  مدل های زوج شده  اتمسفر اقیانوس اضافه شد، که ساده ترین وضع مناسب برای شبیه سازی اقلیمی را تکمیل می‌کند.

در طی فاز دوم تنوع مدل ها برای موضوعات مختلف ، مانند  مدل های حل و فصل ابر، مدل حل و فصل میان مقیاس  و مدل های منطقه ای کدگذاری شدند. این تنوع  به طور فزاینده به هواشناسان اجازه می دهد که کل طیف  پدیده های اتمسفر را بررسی کنند. این مدل ها آزمایش های خاصی را برای مثال اثر دو برابر شدن غلظت دی اکسید کربن(مناب و ودرالد،۱۹۷۵)[۳۱]، در اثر جنگل زدایی مناطق گرمسیری (چارنی،۱۹۷۵) یا  مطالعه پالئو کلیما را قادر به انجام می‌سازد (گتز،۱۹۷۶)[۳۲]. این آزمایش ها به فوریت مورد نیاز بود از زمانی که اندازه گیری‌ها در رصدخانه مانوالوا یک افزایش مشخصی را در تمرکز دی اکسید کربن اتمسفر نشان داد. و از آنجایی که چارنی روی سوال حساسیت اقلیمی تاکید کرد:  چه دمایی از دو برابر شدن تمرکز دی اکسید کربن نتیجه خواهد شد؟ همچنانکه  حساسیت آب وهوا تنها می تواند به وسیله شبیه سازی،رشد یابد ‘ارگانیسم ‘یک  مقدار افزایشی از دانش علمی را فرض می کنند. این رشد ، دوره سوم رادر سال ۱۹۹۰ اعلام کرد، که آرکاوا  ” چالش بزرگ فاز سوم ” نامید. این دوره با مدل های  زوج شده اتمسفر –اقیانوس ارزیابی گزارشات از هیئت بین الدول تغییر اقلیم( IPCC) و مقایسه درونی مدل مشخص شد.

بهرحال، این پیشرفت هنوز رو به جلو است. فرایندهای بین اتمسفر و سطح زمین در جزئیات بیشتر از جمله تبادل حرارتی و تبخیر شبیه سازی شد. همچنین امروزه فرایندهای زیستی به طور افزایشی در مدل ها ، به منظور شبیه سازی آشفتگی انسانی از ترکیب شیمیایی اتمسفر، چرخه کربن ، و تاثیرات پاکسازی اقلیم و کشاورزی اجرا می‌شوند.  به عنوان شبیه سازی فرایندهای زیستی به طور وسیع تر چالش نسبت به فرایندهای فیزیکی ، مدل های  دریایی و زیست کره زمینی اخیرا توسعه یافته است. مدل های اقلیمی،  ازجمله خرده سیستم ها مانند مدل های بیوسفر یا شیمی هوا، اغلب مدل های سیستم زمینی نامیده می شوند. شاید سال ها تا دهه ۲۰۱۰–عصر مدل های سیستم زمین شناشایی خواهد شد. علاوه بر این پیشرفت های عظیم در مدل های هوا و اقلیم و در منابع کامپیوتر، هسته دینامیکی این مدل ها و استراتژی ساخت آنها تقریبا از روزهای اولیه هواشناسی دینامیک  یکسان باقی مانده است اما بقیه به طور چشمگیر تغییر یافته است.

دانلود shapefile نقاط ایستگاه ها بهمراه آمارهای دما بارش رطوبت نسبی

مدل سازی –  هسته  دینامیک

مدل های گردش عمومی شامل دو بخش است: هسته دینامیک و پارامتری ریز مقیاس. هردو بخش باید در یک نسخه مجزا -به طور نرمال  استفاده از روش شبکه نقطه وجود داشته باشد ( میسینگر و آرکاوا، ۱۹۷۶)[۳۳] همان طور که در بالا شرح داده شد، مدل آب وهوا بر اساس قوانین فیزیک می باشد. آنها معادلات جریان سیالات،  ترمودینامیک  و شیمی را به کار بردند.  این قوانین به عنوان معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی تدوین شد، که خیلی پیچیده هستند تا تحلیلی حل شود.  این بدان معنی است که یک راه حل دقیق شناخته نیست  و روش عددی باید با تقریب ناشناخته، راه حل دقیق یافت شود ،. بنابراین،  به لحاظ ریاضی بومی ، شبیه سازی مبتنی بر کامپیوتر در اصل روش های نادرست هستند، و برخی از نتایج عدم قطعیت ها از این جنبه هستند. هر چند برای حل معادلات دیفرانسیل مدل گردش عمومی، روش اختلافات محدود اعمال می شود. این روش عبارات مشتق در معادلات دیفرانسیل با اختلافات تقریب می زند. به عنوان مثال،  اختلاف در زمان تابع y، که به زمان و فضا  بستگی دارد،  به عنوان تفاوت  T نشانه فاصله زمانی تقریب زده شد. به منظور تسهیل در تدوین اختلافات،  قلمرو مدل به جعبه های شبکه تقسیم می‌شود، و متغیرهای پیوسته مانند دما و چگالی، یا رطوبت به تفاوت گسسته تبدیل می شود. معادلات گسسته برای هر نقطه شبکه حل می شود. همچنین آن نتایج میانگین های جعبه شبکه ای را نشان داد.  GCM های موجود برای شبیه سازی آب و هوا نوعا به ترتیب  ۱۰^۴ ستون‌های شبکه دارند که استفاده کردند. میانگین سلول شبکه از چنین مدلی حدود ۲۰۰ کیلومتر است( راندال و همکاران،۲۰۰۳)[۳۴]. این تعداد ستون شبکه باید برای هر فاصله زمانی محاسبه شود. در حالی که چارنی و همکاران او در سال ۱۹۵۰ باید با یک شبکه ۱۵*۱۸ برای یک لایه  ۵۰۰ میلی بار شروع کنند. که  منطقه آمریکای شمالی را پوشش می دهد،  افزایش در تفکیک فضایی و زمانی  پیش بینی عددی  هوا و پیش بینی آب و هوا را انجام می دهد.. قدرت تفکیک بالاتر امکان تصویر بهتری از محاسبه فرایندهای جوی را می دهد ، و این افزایش در قدرت تفکیک نتیجه مستقیمی از بهبود فوق العاده در عملکردمحاسبات است. مدل‌های هوای امروزی معمولا شامل وضوح عالی ۶ کیلومتر می باشد. در حالی که مدل های اقلیمی بین ۶۰ تا ۵۰۰ کیلومتر فرق می‌کنندکه  به دوره زمانی محاسبات آنها بستگی دارد،که می تواند چند دهه یا یک قرن باشد(IPCC,2007a).  بهرحال هیچ فرایندی با معادلات در یک GCM  درنظرگرفته نشد که در یک مقیاس کوچکتر از تفکیک پذیری افقی و موقتی بدست امده  رخ دهد . اما مقیاس دامنه تاثیرات هواشناسی بین سانتی متر و چندین هزار کیلومتر( امواج جهانی) محدوه بندی می شود بنابراین، اصطلاح ” فرایندهای ریز مقیاس” باید در مدل به هم پیوسته باشد، بنابراین مدلهای هواشناسی و مدلهای اب وهواشناسی به هسته دینامیکی تقسیم بندی می شوند( قسمت آدیاباتیک)  و فرایند های ریزمقیاس ، به اصطلاح ” پارامتر( بخش غیر آدیاباتیک) نامیده میشوند.

آدیاباتیک یا بخش حل شده مدل به طور عددی قوانین اساسی فیزیک ، معادلات اولیه –در مفهوم ابتدایی را حل کرد. این مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل غیر خطی گردش عمومی اتمسفر یا اقیانوس است که به تقریب استفاده می شود. هسته دینامیک هنوز تا حد زیادی بر اساس مدل های ریاضی بیجرکنس از ۱۹۰۴ است ، همان طور که در بالا ذکر شد. جریان هیدرودینامیک روی سطحی از یک کره بر اساس اصطلاح معادلات ناویه استوکس شرح داده شد. در نتیجه این فرضیه مطرح می شود که حرکت عمودی خیلی کوچکتر از حرکت افقی است ، و  آنکه عمق لایه سیال کوچک با شعاع کره با هم سنجیده شد. معادله انرژی گرمایی مرتبط به تغییر دما و به منابع گرمایی و نزول آن است. معادله پیوستگی انتقال ویژگی ها به عنوان تکانه، گرما یا دیگر کمیت ها، که حفظ شده است را توصیف می کند. این معادلات دیفرانسیل باید گسسته شود، و نتیجه معادلات متفاوت جبری با روش های عددی ، تقسیم اتمسفر به یک تعدادی سلول شبکه و چندین لایه عمودی حل شد. هر نقطه شبکه برای هر مرحله زمانی با  متغیرهای محاسبه برای سرعت در سه بعد، دما ( انرژی گرمایی) چگالی، فشار هوا و رطوبت ( بخار، آب و یخ) تعیین شد. از این رو ، جریان توده های هوا در میان سلول های شبکه، تاثیر نیروهای متنوع روی جریان، توزیع انرژی، آب ، بخار و غیره است. و چگالی از یک سیال وابسته به فشار، دما و رطوبت بیان شد. این مدل قابل مقایسه از یک ” اتمسفر عددی” در فرترن یا دیگر زبان های برنامه نویسی نوشته شد. در نتیجه مجموعه  ای از فایل ها باید برای هر فاصله زمانی به منظور آشکارسازی رفتار عددی اتمسفر در طول زمان اجرا شود. دانلود shapefile نقاط ایستگاه ها بهمراه آمارهای دما بارش رطوبت نسبی

[۱] Goldstinand and von Neumann

[۲] David Garier

[۳] Vannevar Bush

[۴] Burks

[۵] Goldstine and Von Neuman

[۶] Ceruzzi

[۷] Neumann Von and Richtmyer

[۸] Nebeker

[۹] John von neumann

[۱۰] Harper

[۱۱] Persson

[۱۲] Arakava

[۱۳] Phillips

[۱۴] Lewis

[۱۵] Numerical weather prediction

[۱۶] Geophysical Fluid Dynamics Laboratory

[۱۷] Kebil

[۱۸] Wiin Nielsen

[۱۹] Belousov

[۲۰] Blinova and Kebil and Karo

[۲۱] Sawyer , Fred, Bushby , Hinds

[۲۲] Guy Dady

[۲۳] Pobert Pone

[۲۴] Karl – Heinz Hinkelmann

[۲۵] Arakawa

[۲۶] Yale Mintz

[۲۷] Smagorinsky , Manabe et al

[۲۸] Leith

[۲۹] Kasahara and washigton

[۳۰] Manab and Bryan

[۳۱] Manabe and Wetherald

[۳۲][۳۲] Gates

[۳۳] Messinger and Arakava

[۳۴] Randall et al