鸟瞰:使用模拟来理解风的变化行为

马里恩岛位于开普敦以南1340英里处，是南非以其自然美景而闻名的领土。这个亚南极岛屿上有一个研究基地、一个气象站和200多万只海鸟，这些海鸟代表了至少28种已知的独特物种，其中许多被列为濒危物种。1995年，它被南非政府指定为特殊自然保护区，只有科学家和研究人员才能进入。

马里恩岛的纬度为46°54 ' 45 "，位于南半球被称为“咆哮西风带”的地区，因为那里经常有高速风。随着气候变化的影响越来越大，这些恶劣的、多风的条件不仅开始影响岛上的野生动物，也开始影响岛上的植被。土壤侵蚀和更高水平的盐雾正在破坏筑巢栖息地，以及杀死草、苔藓和其他植物。

南非国家南极方案(SANAP)正在寻找一种方法来了解和减轻气候变化对马里恩岛的影响，特别是对风力破坏的影响。虽然SANAP的科学家们可以获得关于风的一般气象信息，比如风的方向和速度，但他们需要确切地了解岛上崎岖地形的地面上发生了什么。

2017年，SANAP的研究人员向比勒陀利亚大学的肯·克雷格教授寻求帮助。作为机械和航空工程系清洁能源研究小组的高级成员，Craig领导该小组的CFD研究。

自1999年以来，克雷格一直在申请万博Ansys流利开发太阳能接收器和发电机模型;冶金和制造工艺;以及其他基于cfd的研究问题。他还在流体动力学、CFD和基于仿真的设计的本科和研究生课程中使用Fluent。但是Fluent能否准确地模拟一个115平方英里的岛屿，以悬崖、山脉、山谷和湿地为特征?

Craig说:“我坚信Fluent为CFD建模提供了一个非常精确的解决方案，当你有一个很好的软件时，你应该坚持使用它。”“但我不认为Fluent曾如此大规模地应用于一个孤立的陆地。不仅规模令人生畏，而且摩擦力、湍流、速度和其他基于Fluent需要解决的物理问题也令人生畏。”

为了迎接挑战，克雷格同意与现有的SANAP项目合作，以更好地了解马里恩岛不断变化的风行为。他找来硕士研究生凯尔·戈达德领导全岛范围内的风建模工作，这将成为戈达德论文的基础，也是最近发表在科学杂志《生态建模》上的一篇论文的基础。

气流和地形建模:一个复杂的问题

比勒陀利亚大学的研究小组建立了Fluent模拟，反映了16种不同风向接近马里恩岛的气流。为了绘制该岛的地形，团队成员依靠机载无人机研究的数字高程模型。

克雷格和戈达德尝试了不同的方法来生成一个网格，这个网格足够精细，可以反映出岛屿的地形，但仍然足够大，可以覆盖整个大陆。他们选择了一个多面体网格，并设计了一个新的策略，重复使用一个网格系统来模拟马里恩岛周围的多种气候条件和风向。这种策略基本上需要对所有模型使用一个共同的区域，并在各自的风向上扩展上游和下游的海洋区域。

虽然最终生成的网格非常大，范围在8700万到2.14亿个单元之间，但该团队能够依靠南非国家高性能计算(HPC)集群来解决这个问题，该集群将复杂的物理问题(如湍流)分布在数百个核心上。后期处理使最终的风模型更易于管理和用户友好。

所有的风向模拟然后被合并成一个单一的风速图，通过在相应的风区测量的风流行频率对每个模拟进行加权来生成。这张全岛地图，被认为是同类地图中的第一张，将在未来对马里恩岛的科学研究中有许多应用。

与计算模拟相结合，该团队在岛上的关键位置安装了17个风数据记录站。这些站点的原始输出被清理并转换成一个易于访问的数据库-马里昂岛风(WMI)数据集-现在反映了自2018年以来收集的所有物理风测量值。

为了验证其风模型的准确性，该团队将其模拟结果与WMI数据库中实际收集的风数据进行了比较。团队成员专注于三个方向，这三个方向占了岛上74%以上的风模式:西北风、西风和西南风。Fluent模拟结果预测风向在5%以内，速度和湍流度在30%以内。应该提到的是，由于环境法规和锚泊限制，风速测量受到限制，只能测量一米的高度。

Craig指出:“在支持该领域的科学研究时，拥有一种能够高保真地复制真实世界条件的精确工具至关重要，而Fluent为我们提供了这种工具。这是非常强大的——也是我能想到的在如此大的物理尺度上创造这种形态的少数解决方案之一。

“我们非常满意在Fluent中相对容易地设置网格，一旦我们熟练和结果的准确性。我不知道如何使用其他工具来解决这么大、这么复杂的问题。”

一个具有多种应用的可靠模型

由于克雷格和他在比勒陀利亚大学的学生研究人员的努力，SANAP和其他环境保护组织有了一种可靠的方法来估计马里恩岛地面附近的风力特性。平均风速、湍流、阵风和其他精细尺度的风行为可以在岛上的任何位置重现，而无需使用对环境有害的物理监测方法。

气候变化科学家可以利用这个模型来评估风的模式是如何随着时间的推移而演变的，以及这些变化将如何影响该岛的鸟类和植物物种。目前，Fluent风模型已经被应用于预测植物种子的传播，调查鸟类的飞行和筑巢行为，以及研究风对动植物物种死亡率的影响。

2024年，环保主义者计划消灭马里恩岛的家鼠，因为这些啮齿动物正在杀死流浪信天翁等濒危物种的幼雏。在19世纪早期，海豹猎人引入了这些啮齿动物，今天，这些啮齿动物遍布整个岛屿。一项名为“无鼠马里恩”的努力计划使用直升机在岛上战略性地传播灭鼠剂。克雷格和他的团队制作的风模型将有助于创建飞行地图，评估着陆和起飞条件，并预测在活动期间最有效的分散诱饵的方法。

克雷格说:“马里恩岛风力建模项目是模拟所带来价值的一个很好的例子。”“考虑到马里恩岛的极端天气条件和原始状态，不可能建立物理站点来测量和研究不断变化的风模式。每个投资保护这个岛屿的人都很感激Fluent能够在不需要永久性风力测量系统或其他环境影响的情况下，对马里昂岛上发生的真实大气现象产生如此令人信服的近似。”