鸟瞰:利用模拟了解风行为的变化

马里恩岛位于开普敦以南1340英里处，是南非的一个领土，以其自然美景而闻名。这座亚南极岛屿是一个研究基地、一个气象站和200多万只海鸟的家园，它们代表了至少28个已知的独特物种，其中许多被列为濒危物种。1995年，它被南非政府指定为自然保护区，严格限制科学家和研究人员进入。

马里恩岛的纬度为46°54’45”，位于南半球被称为“咆哮的四十度”的地区，因为它有持续不断的高速风。随着气候变化影响的增加，这些恶劣多风的条件不仅开始影响岛上的野生动物，还开始影响岛上的植被。土壤侵蚀和高水平的盐雾正在破坏筑巢的栖息地，同时杀死草、苔藓和其他植物。

南非国家南极计划(SANAP)正在寻找一种方法来了解和减轻气候变化对马里昂岛的影响，特别是关于风的破坏。虽然SANAP的科学家可以获得关于风的一般气象信息，如风向和速度，但他们需要确切地了解在岛上崎岖地形的地面上发生了什么。

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

自1999年以来，克雷格一直在申请Ansys流利开发太阳能接收器和发电机的模型;冶金和制造工艺;以及其他基于cfd的问题。他还在流体动力学、CFD和基于模拟的设计的本科和研究生课程中使用Fluent。但Fluent能否准确地模拟出一个完整的115平方英里的岛屿，其特征是悬崖、山脉、山谷和湿地?

Craig说:“我坚信Fluent为CFD建模提供了一个非常精确的解决方案，当你拥有一个同样优秀的软件时，你应该坚持使用它。”“但我认为Fluent从未如此大规模地应用于一块孤立的土地。不仅是规模令人生畏，还有大量的摩擦、湍流、速度和其他基于Fluent需要解决的物理问题。”

克雷格总是乐于接受挑战，他同意与现有的SANAP项目合作，以更好地了解马里昂岛上不断变化的风行为。他邀请研究生凯尔·戈达德领导全岛风力建模工作，这将成为戈达德论文以及最近发表在科学杂志《生态建模》上的一篇论文的基础。

模拟气流和地形:一个复杂的问题

比勒陀利亚大学的团队建立了Fluent模拟，反映了16种不同的风从不同方向接近马里昂岛。为了绘制该岛的地形，团队成员依靠空中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，该网格的细节足以反映岛屿的地形，但仍然足够大，可以涵盖整个大陆。他们确定了一个多面体细胞的网格，并设计了一种新的策略，重新使用一个网格系统来模拟马里昂岛周围的多种气候条件和风向。这一策略基本上需要对所有模型使用一个公共区域，并按各自的风向扩展上游和下游海域。

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)集群来解决它，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。

然后，所有的风向模拟被组合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生成。这张全岛地图被认为是第一张全岛地图，将在未来马里恩岛的科学研究中有很多应用。

与计算模拟相结合，研究小组在岛上的关键地点安装了17个风数据记录站。这些站点的原始输出被清理并转换为一个易于访问的数据库——马里恩岛的风数据集(WMI数据集)——现在反映了自2018年以来收集的所有物理风测量数据。

为了验证其风模型的准确性，研究小组将其模拟结果与从WMI数据库中收集的实际风数据进行了比较。团队成员专注于三个方向，占该岛风模式的74%以上:西北风、西风和西南风。Fluent模拟结果预测风向在5%以内，速度和湍流水平在30%以内。值得一提的是，由于环境法规和锚定限制，风速测量受到限制，仅允许测量一米高的高度。

克雷格指出:“在支持该领域的科学研究时，拥有一个准确的工具，以高保真度复制现实世界的情况是至关重要的，Fluent为我们提供了这个工具。这是非常强大的——而且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。

“当我们熟练使用Fluent建立网格时，我们对其相对容易的设置和结果的准确性感到非常满意。我不知道如何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昂岛地面附近的风力特性。平均风速、乱流、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，而无需使用环境侵入性物理监测方法。

气候变化科学家可以使用该模型来评估风的模式如何随着时间的推移而演变，以及这些变化将如何影响岛上的鸟类和植物物种。Fluent风模型已经被应用于预测植物种子传播，调查鸟类飞行和筑巢行为，并研究风对动植物物种死亡率的影响。

环保人士计划在2024年根除马里恩岛的家鼠，因为这些啮齿动物正在杀死流浪信天翁等濒危物种的雏鸟。海豹猎人在19世纪初引入了这种啮齿动物，如今这些啮齿动物已经占领了这座岛屿。一项名为“无鼠马里恩”(Mouse-Free Marion)的行动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，并预测在战役中最有效的分散诱饵的方法。

克雷格说:“马里昂岛风建模项目是模拟提供价值的一个很好的例子。”“鉴于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型。每个投资保护这座岛屿的人都很感激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，产生如此令人信服的马里昂岛上真实大气现象的近似。”