Ngày nay, mọi thứ đã thay đổi. Các nhà mô hình hóa đại dương đang ngày càng tiến đến gần hơn trong việc mô phỏng chính xác các đặc trưng của đại dương và trong vài thập kỷ qua các mô hình của chúng đã trở nên vô cùng thực tế, với các ứng dụng khác nhau, từ dự báo thời tiết và sóng đến khí hậu và nghiên cứu khí hậu, và không thể thiếu là việc tìm kiếm các máy bay mất tích.
Tại Trung tâm Nghiên cứu Hải dương GEOMAR Helmholtz, Đức, Tiến sĩ Jonathan Durgadoo đã làm việc với các mô hình đại dương trong gần 10 năm. Trong thời gian đó ông đã chứng kiến một xu hướng tăng tính thực tế của các mô hình mà ông sử dụng. "Thực tế, chúng tôi muốn nói đến khả năng mô phỏng các mô hình trong đại dương được quan sát và biết đến", ông ấy nói. "Khi máy tính trở nên nhanh hơn chúng ta có thể mô phỏng quá trình đại dương xảy ra ở nhiều quy mô khác nhau vào mô hình. Và khi chúng ta hiểu nhiều hơn về các quá trình đại dương, chúng ta có thể bắt đầu nghĩ đến những cách đưa chúng vào các mô hình của chúng ta. "Đặc biệt, các mô hình đại dương đã trở nên thực tế hơn trong những năm gần đây vì chúng đã có khả năng giải quyết các dòng xoáy. Các dòng xoáy là nét đặc trưng ở quy mô trung bình xảy ra do hiện tượng dòng chảy rối trong lòng đại dương. Trong thập kỷ qua, khi sức mạnh tính toán và lưu trữ dữ liệu tăng lên theo cấp số nhân, các mô hình đại dương giải quyết vấn đề dòng xoáy đã trở nên phổ biến hơn.
Durgadoo giải thích rằng trong lĩnh vực mô phỏng đại dương, kích thước mới là vấn đề. "Các nhà hải dương học thường nói về quy mô không gian và thời gian", ông nói. "Về mặt không gian, các quy trình trong đại dương xảy ra ở quy mô từ milimet đến hàng ngàn kilômét, và theo thời gian lên đến vài thế kỷ. Cụm từ “mesoscale (quy mô trung bình)” đề cập đến những cấu trúc có kích thước từ hàng chục đến hàng trăm dặm. Những cấu trúc này, bao gồm cả những vùng xoáy, đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau trong đại dương. Ví dụ, những con sóng mang khối nước ở một số vị trí nhất định và đưa chúng đến nơi khác, và cũng có thể đưa nước giàu chất dinh dưỡng để thúc đẩy hoạt động sinh học. Vì vậy, để các mô hình đại dương đạt được tính thực tế ở các quy mô này, các dòng xoáy và các cấu trúc khác cần phải được thể hiện trong mô hình. "Điều này không có nghĩa là các mô hình không mô phỏng những cấu trúc này là vô dụng," Durgadoo nói thêm. "Chúng ta phải hiểu và đánh giá tính hữu dụng của các mô hình trong phạm vi của chúng."
Vấn đề về độ phân giải của mô hình
Mô phỏng toàn cầu đại dương vốn rất khó khăn. Trong suốt quá trình phát triển mô hình đại dương, từ những mô hình đầu tiên sử dụng những máy tính rất đơn giản theo các tiêu chuẩn hiện đại, thông qua hàng triệu dòng code, các nhà nghiên cứu đã phải vật lộn để giải quyết các vấn đề liên quan đến độ phân giải, ví dụ như quy mô địa lý mà ở đó một mô hình làm việc - nơi mà mô hình giải lưới của bạn càng nhỏ đi bao nhiêu thì các mô hình biển của bạn sẽ tốt hơn bấy nhiêu. Theo Giáo sư Sergey Danilov, người làm việc về phát triển mô hình đại dương tại Phòng Năng lượng Khí hậu của Viện Alfred Wegener, Bremerhaven, Đức, thách thức chính là mô hình luôn luôn phải tái hiện các đặc tính và hoàn lưu của khối nước mà chúng ta quan sát thấy trong đại dương trên thực tế. Ông nói: "Các chuyển động ở quy mô không gian và thời gian nhỏ không thể được mô phỏng và do đó chúng cần phải được tham số hóa. "Việc này tạo ra lỗi, có thể tích lũy theo thời gian. Vì vậy, các nhà xây dựng mô hình cố gắng giảm bớt các lỗi này bằng cách tăng độ phân giải, cải thiện tính chính xác của các phép tham số hóa, hoặc cải thiện các thuật toán.
"Quan điểm này được lặp lại trong cuốn Modern Observational Physical Oceanography của nhà hải dương học làm việc tại MIT, Carl Wunsch, trong đó tác giả giải thích rằng không có mô hình nào đạt tới độ phân giải hoàn hảo. Điều này có nghĩa là một số quá trình luôn bị bỏ qua - một trở ngại mà thiên nhiên không phải đối mặt. Wunsch viết: "Người sử dụng phải xác định liệu sự thiếu sót của những quá trình này là quan trọng hay không. "Ngay cả khi các phương trình giải định được thể hiện một cách hoàn hảo và đầy đủ, luôn tồn tại lỗi trong các dòng code máy tính."
Cuộc tìm kiếm MH370
Tuy nhiên, các nhà khoa học trong lĩnh vực phát triển mô hình hải dương đã đạt được những tiến độ to lớn trong việc hoàn thiện mô hình. Khi một tấm liệng treo (flaperon) (một phần cánh máy bay) của chiếc máy bay mất tích MH370 của Malaysian Airlines xuất hiện trên đảo La Réunion ở Ấn Độ Dương vào tháng 7 năm 2015, tiến sĩ Durgadoo và các cộng sự của ông đã có một ý tưởng tuyệt vời. Bằng cách sử dụng mô hình hải dương hiện đại nhất của mình, họ cho rằng nó có thể giúp tìm ra vị trí máy bay rơi. Ông nói rằng thực tế là các mảnh vỡ của MH370 đã được tìm thấy trên các bãi biển ở Ấn Độ Dương cho chúng ta gợi ý rằng chúng đã trôi dạt trên biển trong nhiều tháng. Về mặt lý thuyết, với những thông tin chính xác, có thể mô phỏng những quỹ đạo khả thi trong hi vọng xác định vị trí xuất phát của tấm liệng treo (flaperon) và từ đó xác định vị trí máy bay rơi. Và đó chính xác là những gì họ đã làm.
Bằng cách sử dụng mô hình và theo dõi các mảnh vỡ theo phương pháp phân tích Lagrangian, các nhà nghiên cứu đã có thể ước tính vị trí của máy bay. Durgadoo mô tả quá trình này trong một bài báo xuất bản năm 2016. “Ý tưởng là chúng tôi có thể sử dụng một mô hình hải dương để theo dõi các flaperon theo thời gian để xác minh vị trí máy bay rơi. Nhưng đại dương là một nơi hỗn loạn, không hợp lý tí nào khi mô phỏng ngược dòng thời gian đường đi của một mảnh flaperon ảo. Vì vậy, chúng ôi đã sử dụng chiến thuật thiên về số lượng (strength in number), chúng tôi đã đặt xấp xỉ 5 triệu flaperon mô hình ảo xung quanh đảo La Réunion trong suốt khoảng thời gian tháng 7 năm 2015 trên mô hình.”
Và họ đã đạt được những kết quả đáng chú ý. Theo Durgadoo, “mặc dù không thể xác định vị trí chính xác, chúng tôi thấy rằng nguồn gốc của flaperon có thể lệch về phía tây hơn là phía tây nam nước úc. Quan trọng hơn là dựa trên phân tích của chúng tôi, khả năng để các flaperon bắt đầu hành trình từ khu vực tìm kiếm ưu tiên là ít hơn 1,3%. Nhóm của Durgadoo đã sử dụng mô hình của họ để kết luận rằng những nỗ lực tìm kiếm dọc theo khu vực ưu tiên là khó thành công. Thật vậy, chiếc máy bay vẫn còn mất tích và số phận của MH370 vẫn còn là một bí ẩn.
Công nghệ dẫn đường cho những tiến bộ trong mô hình hóa
Với các mô hình đại dương đã đạt đến độ tinh vi ngày nay, công nghệ thúc đẩy sự phát triển của chúng đã đạt tới quy mô rất rộng; từ những đơn vị quan trắc được triển khai trên biển nhằm thu thập dữ liệu chính xác tới những siêu máy tính hiện đại nhất được sử dụng để dự báo tương lai. Giáo sư Danilov nói rằng “Sự phát triển của lĩnh vực phần cứng máy tính cho phép sử dụng nhiều tài nguyên hơn nghĩa là chúng ta có thể giải quyết dứt khoát các chu trình đã được biểu hiện bằng tham số trước đó. Chúng ta có thể hy vọng rằng những công nghệ tính toán mới liên quan đến GPUs – các bộ xử lý đồ họa – sẽ dẫn tới nâng cao khả năng xử lý của mô hình.
Ông cũng cho biết thêm “Về mặt vật lý, những dữ liệu mới đang trở nên sẵn có nhờ công nghệ hiện đại, giúp hiệu chỉnh hay xác định những tham số ràng buộc tốt hơn cho các mô hình. Phép đo độ cao bằng vệ tinh hay những phao nổi trong chương trình Argo cũng góp phần quan trọng đặc biệt.”. Nhưng Danilov chỉ ra rằng hiện tại sự tiến bộ về sức mạnh tính toán là yếu tố chi phối chính. Việc chạy các mô hình toàn cầu ở độ phân giải cao – khoảng 1 km2 – đã khả thi, đồng nghĩa với việc có thể giải được các chu trình ở mức độ chi tiết này. Ông nói: “Các mô hình phân tích chuyển động quy mô trung bình (mesoscale motions) sẽ được hiện thực hóa trong tương lai gần. Nhưng chạy một mô hình như vậy vẫn quá tốn kém về mặt tính toán, có nghĩa là thời gian chạy rất dài và tạo ra rất nhiều dữ liệu. Vì vậy, nên phân biệt giữa những những thứ có thể làm về mặt nguyên tắc và những thứ có thể sử dụng làm công cụ nghiên cứu.”.
Trên thực tế, ông tin rằng tương lai của mô hình hóa đại dương có thể đi theo con đường tương tự như dự báo thời tiết, nơi mà các hô hình được kết hợp để bắt mạch được nhiều trạng thái tiềm năng trong tương lại của đại dương chứ không chỉ là một. Ông nói: “Vấn đề là ngay cả với dữ liệu đầu vào hoàn hảo, vẫn tồn tại một đường chân trời đối khả năng dự báo, bởi sau một khoảng thời gian nhất định, việc dự báo sẽ trở nên khó khăn hơn. Đại dương có những động lực nội tại phức tạp – hỗn độn – và do đó, mô phỏng số đại dương sẽ lệch so với quan trắc theo thời gian. “Những phương pháp số và tham số hóa tốt hơn sẽ cải thiện được trạng thái trung bình dự đoán của đại dương và những biến động.”, ông nói. “Nhưng nói chung cần những nỗ lực tính toán tương đối lớn”.
Theo https://www.marinetechnologynews.com/