研究員大衛(wèi)·斯坦利(David Stanley)對(duì)氣候變化的興趣促使他開(kāi)發(fā)了一個(gè)程序，以改進(jìn)我們收集數(shù)據(jù)以研究云內(nèi)部的方式。該程序模擬了多顆衛(wèi)星，同時(shí)從多個(gè)角度收集云的圖像，這可以幫助我們更好地了解云內(nèi)部發(fā)生的事情。

“通常，我們只能看到云的外部特征，”斯坦利說(shuō)。“計(jì)算機(jī)云斷層掃描得名于計(jì)算機(jī)斷層掃描，類(lèi)似于CT掃描。衛(wèi)星不使用x射線，而是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)從盡可能多的角度拍攝云圖?！?/p>

這項(xiàng)研究發(fā)表在《宇宙飛船與火箭雜志》上。

斯坦利說(shuō)，氣候模型的一個(gè)未知因素是對(duì)流輸送對(duì)新云再生的影響有多大。對(duì)流是指大氣中熱量和水分的運(yùn)動(dòng)，尤其是不穩(wěn)定條件下的上升和下降氣流。

“通過(guò)在同一片云的中心產(chǎn)生多個(gè)時(shí)間通道，你可以看到對(duì)流如何隨著時(shí)間的推移而變化，以及它如何影響未來(lái)其他云的生長(zhǎng)。云的增長(zhǎng)會(huì)增加溫室效應(yīng)?！?/p>

斯坦利說(shuō)，在完成伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的航空航天工程碩士學(xué)位后，他再次申請(qǐng)?jiān)谝晾Z伊大學(xué)繼續(xù)攻讀博士學(xué)位。

他說(shuō):“我談到了我對(duì)工程和空間工程的一般興趣，但也談到了更好地了解氣候變化并努力尋找解決方案對(duì)我們有多重要?！?/p>

羅賓·伍蘭茲看到了我的興趣，邀請(qǐng)我加入她的研究小組。她把我介紹給了美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室多智能體自主小組的Federico Rossi和Amir Rahmani，他們把我介紹給了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家changak Choi和Anthony Davis，他們對(duì)云斷層掃描、大氣云和氣溶膠都很了解。這與我的一些興趣一致，羅賓認(rèn)為這是一個(gè)有趣的任務(wù)提議——使用多智能體系統(tǒng)來(lái)支持地球科學(xué)任務(wù)?！?/p>

對(duì)于模擬，Stanley使用了用于許多不同類(lèi)型應(yīng)用的混合整數(shù)線性程序求解器。他編寫(xiě)的代碼是為了開(kāi)發(fā)一個(gè)調(diào)度程序，該程序可以?xún)?yōu)化衛(wèi)星群的時(shí)間和相機(jī)指向角度，以獲得盡可能多的云圖像。

“有趣的是，我們?nèi)绾问褂没旌险麛?shù)線性程序來(lái)自動(dòng)確定衛(wèi)星形成的最有效指向模式。他解釋道。“所有衛(wèi)星必須在同一時(shí)間指向同一個(gè)目標(biāo)。但每顆衛(wèi)星下面可能有幾十個(gè)不同的目標(biāo)，如果沒(méi)有在正確的時(shí)間瞄準(zhǔn)，可能會(huì)有一些目標(biāo)被錯(cuò)過(guò)?！?/p>

目標(biāo)是最大化衛(wèi)星在整個(gè)軌道上看到不同目標(biāo)的次數(shù)。

“我們進(jìn)行了兩種不同的模擬。我們對(duì)地球表面產(chǎn)生的具有特定壽命的云進(jìn)行了模擬。在計(jì)算機(jī)中，它們只是球面上的坐標(biāo)。第二個(gè)模擬是傳播衛(wèi)星群。這可以簡(jiǎn)單地完成，也可以使用更復(fù)雜、更精確的模型?！?/p>

“當(dāng)我們結(jié)合這兩個(gè)模擬的數(shù)據(jù)時(shí)，程序會(huì)計(jì)算出衛(wèi)星在軌道上不同點(diǎn)的位置，以及云層在軌道上的位置，然后決定這些衛(wèi)星和地面云層之間的最佳觀測(cè)模式?！?/p>

他說(shuō)，在研究過(guò)程中，有好幾次他對(duì)模擬數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳遞給求解器的最佳方式有不同的想法。

“也許你只需要為每個(gè)時(shí)間步和每個(gè)衛(wèi)星設(shè)置一個(gè)陣列，或者你可以為地球的不同部分設(shè)置一個(gè)陣列。我嘗試使用地球的不同部分作為指向坐標(biāo)，首先用蠻力細(xì)分所有東西。但是地球上有很大的面積。你最終會(huì)得到數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的索引，這在臺(tái)式電腦上是無(wú)法解決的。”

最后，斯坦利說(shuō)他從伍蘭茲以前的作品中獲得了靈感。她發(fā)明了一種方法，讓圍繞火星運(yùn)行的衛(wèi)星群盡可能多地收集火星上的塵卷風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，這種方法不是對(duì)整個(gè)地球進(jìn)行細(xì)分，而是對(duì)衛(wèi)星下方的部分進(jìn)行細(xì)分，這樣一次只需要幾個(gè)指數(shù)。

“因此，除此之外，我意識(shí)到我實(shí)際上可以使用云本身作為索引，”斯坦利補(bǔ)充說(shuō)。“它運(yùn)行得很好，從數(shù)百萬(wàn)個(gè)指數(shù)一次減少到大約100個(gè)，這更容易解決?！?/p>

Stanley強(qiáng)調(diào)，這是模擬數(shù)據(jù)。

“我們已經(jīng)對(duì)云的形成地點(diǎn)和去向做出了一些假設(shè)，因此這項(xiàng)研究還有很大的改進(jìn)空間，需要研究更多的真實(shí)世界數(shù)據(jù)，而不是自己生成數(shù)據(jù)。”重要的是，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種新方法，有可能顯著改善三維云數(shù)據(jù)的收集方式，這可能會(huì)提高我們對(duì)云內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的理解，從而提高長(zhǎng)期氣候影響。