计算地球科学：解决问题、逻辑思维和编程课程

计算地球科学的特点是采用大规模非线性模型，在广泛的长度和时间尺度范围内将多种物理、化学和生物过程结合起来。这篇文章为大家带来关于澳洲国立大学的计算地球科学课。

一、课程概览

本课程介绍计算机编程和 Python 编程语言的基本概念。课程针对地球科学家的需求。课程旨在(i) 培养学生解决问题的能力;(ii) 让学生清楚地了解计算机编程的基本概念，使他们能够很好地学习研究中所需的任何编程语言;(iii) 确保所有学生都具备 Python 编程语言的核心能力，这些能力将在以后的研究中用于建模、编写脚本、分析和处理数据以及为演示文稿和出版物生成高质量的图表等任务。

二、关于地球科学

解决复杂的跨学科问题需要在高性能计算机上运行先进的数值算法。为了应对这些挑战，联合研究小组的研究人员与计算工程与科学研究所(ICES)和德克萨斯高级计算中心(TACC)开展了合作。

计算地球科学学科是杰克逊地球科学学院计算和建模活动的重点，其作用包括

汇集杰克逊学院三个单位和所有研究主题的计算研究人员

在杰克逊地球科学学院内培养大规模建模和模拟文化

为建模和数据界面的研究注入活力，促进反演方法的更广泛应用。

开发独特的课程，培养精通计算并准备成为该领域领导者的新一代地球科学家。

三、气候建模

杰克逊学院的气候建模活动包括与 NCAR 开发的全球和区域气候系统综合模型的整合，以及为这些模型提供过程组件。研究重点强调气候动力学、同化和预测的基本原理、陆地气候和陆地过程，特别是涉及冠层辐射和与水文循环耦合的过程。后者包括积雪、冻土、地下水位、径流和基于矢量的河流路径。洪水和干旱的机制和过程是当前特别关注的问题。

四、地球动力学建模

地幔对流驱动着板块构造和大陆漂移，进而控制着地震和火山的发生、山脉的形成以及海平面的长期变化。全球地幔对流建模的主要挑战在于解决空间和时间尺度的广泛性以及物质属性的数量级变化。杰克逊学院的计算地球动力学研究旨在创建地幔对流过程的先进数学和计算模型，通过先进的离散化、自适应网格细化以及在最先进的超级计算机上运行的可扩展并行求解器来克服上述挑战。一个新的方向是开发反演方法，将观测数据同化到地幔流动模型中。

五、多孔介质流动建模

多孔介质在整个地球科学领域无处不在，多孔介质流动的计算建模是杰克逊学院三个研究单位的共同兴趣所在。活动范围从特定野外地点的复杂大规模模拟到基本地质和环境过程的纳米级传输模型。研究课题包括海洋甲烷水合物动力学、页岩地层纳米孔隙中的流体流动、成岩过程中的反应传输、地幔中的部分熔化和熔体迁移。研究人员对提高油气采收率和二氧化碳地质封存项目或水资源可持续管理进行优化设计。

六、逆建模

计算地球科学的核心挑战之一是将观测数据系统地同化到大规模模拟中，以处理和描述模型参数及其相关的不确定性。这需要考虑到测量误差、这些测量的尺度依赖性以及地球物理属性与观测数据之间的不确定性。杰克逊学院在数据同化反演方法的开发及其在地震学、热历史和气候建模等领域的应用方面一直处于领先地位。

七、地球物理学

理论和计算地球物理学的研究包括：解决反演问题，从大型数据集中估算复杂的多参数地球模型;开发数值方法，通过有限元和有限差分方法模拟复杂材料中的波传播和变形;推断和分析复杂系统，如地球的气候变化;以及开发使用并行处理架构的算法。研究人员将地球物理数据集与各种尺度的物理特性联系起来，包括整个地球结构、板块构造、沉积盆地、流体储层和孔隙尺度。

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