Med tornadosäsongen närmar sig med stormsteg eller redan på gång i utsatta stater i hela USA, nya superdatorsimuleringar ger meteorologer oöverträffad inblick i strukturen hos monstruösa åskväder och tornados. En sådan nyligen genomförd simulering återskapar ett tornadoproducerande supercell-åskväder som lämnade en väg av förstörelse över Central Great Plains 2011.

Personen bakom den simuleringen är Leigh Orf, en vetenskapsman vid Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) vid University of Wisconsin-Madison. Han leder en grupp forskare som använder datormodeller för att avslöja de rörliga delarna inuti tornados och supercellerna som producerar dem. Teamet har utvecklat expertis som skapar djupgående visualiseringar av superceller och urskiljer hur de bildar och i slutändan skapar tornados.

Arbetet är särskilt relevant eftersom USA leder det globala tornadotalet med mer än 1, 200 touchdowns årligen, enligt National Oceanic and Atmospheric Administration.

I maj 2011 flera tornados landade över Oklahoma-landskapet på kort, fyra dagars sammansättning av stormar. En efter den andra, superceller skapade trattmoln som orsakade betydande egendomsskador och förlust av liv. Den 24 maj, en tornado i synnerhet - "El Reno" - registrerad som en EF-5, den starkaste tornadokategorin på Enhanced Fujita-skalan. Den låg kvar på marken i nästan två timmar och lämnade en väg av förstörelse 63 miles lång.

Orfs senaste simulering återskapar El Reno-tornadon, avslöjar i hög upplösning de många "mini-tornados" som bildas i början av huvudtornadon. När trattmolnet utvecklas, de börjar smälta samman, tillför styrka till tromben och intensifierar vindhastigheterna. Så småningom, nya strukturer bildas, inklusive vad Orf refererar till som den strömvisa virvelströmmen (SVC).

"SVC består av regnkyld luft som sugs in i uppströmsdraget som driver hela systemet, " säger Orf. "Man tror att detta är en avgörande del för att upprätthålla den ovanligt starka stormen, men intressant nog, SVC får aldrig kontakt med tornadon. Snarare, det rinner upp och runt det."

Med hjälp av verkliga observationsdata, forskargruppen kunde återskapa de väderförhållanden som rådde vid tidpunkten för stormen och bevittna stegen som ledde fram till skapandet av tornadon. De arkiverade uppgifterna, hämtad från en kortsiktig operativ modellprognos, var i form av ett atmosfäriskt ljud, en vertikal profil av temperatur, lufttryck, vindhastighet och fukt. När den kombineras på rätt sätt, dessa parametrar kan skapa förutsättningar för tornadobildning, känd som tornadogenes.

Enligt Orf, att producera en tornado kräver ett par "icke förhandlingsbara" delar, inklusive riklig fukt, instabilitet och vindskjuvning i atmosfären, och en avtryckare som flyttar luften uppåt, som en temperatur- eller fuktskillnad. Dock, blotta existensen av dessa delar i kombination betyder inte att en tornado är oundviklig.

"I naturen, det är inte ovanligt att stormar har vad vi förstår är de rätta ingredienserna för tornadogenes och sedan händer ingenting, " säger Orf. "Stormjagare som spårar tornados är bekanta med naturens oförutsägbarhet, och våra modeller har visat sig bete sig likadant."

Orf förklarar att till skillnad från ett vanligt datorprogram, där kod skrivs för att leverera konsekventa resultat, modellering på denna komplexitetsnivå har inneboende variation, och på något sätt tycker han att det är uppmuntrande eftersom den verkliga atmosfären uppvisar denna variation, för.

Framgångsrik modellering kan begränsas av kvaliteten på indata och datorers processorkraft. För att uppnå högre nivåer av noggrannhet i modellerna, att hämta data om de atmosfäriska förhållandena omedelbart före tornadobildning är idealiskt, men det är fortfarande en svår och potentiellt farlig uppgift. Med komplexiteten i dessa stormar, det kan finnas subtila (och för närvarande okända) faktorer i atmosfären som påverkar huruvida en supercell bildar en tornado eller inte.

Att digitalt lösa en tornadosimulering till en punkt där detaljerna är tillräckligt fina för att ge värdefull information kräver enorm processorkraft. Lyckligtvis, Orf hade fått tillgång till en högpresterande superdator, speciellt utformad för att hantera komplexa datorbehov:Blue Waters superdator vid National Center for Supercomputing Applications vid University of Illinois i Urbana-Champaign

Totalt, deras EF-5-simulering tog mer än tre dagars körtid. I kontrast, det skulle ta decennier för en konventionell stationär dator att slutföra denna typ av bearbetning.

Blickar framåt, Orf arbetar med nästa fas av denna forskning och fortsätter att dela gruppens resultat med forskare och meteorologer över hela landet. I januari 2017, gruppens forskning presenterades på omslaget till Bulletin of the American Meteorological Society.

"Vi har slutfört EF-5-simuleringen, men vi tänker inte sluta där, " säger Orf. "Vi kommer att fortsätta förfina modellen och fortsätta att analysera resultaten för att bättre förstå dessa farliga och kraftfulla system."