迈向下一代熔岩流预测开发基于物理的快速熔岩传播模型

当有人居住的地区发生火山喷发时，快速准确的熔岩流预测可以挽救生命并减少基础设施和财产损失。为了确保当前的熔岩预测模型能够以足够快的速度提供输出以在实践中有用，不幸的是，它们必须结合限制其准确性的物理简化。

为了帮助疏散计划，预测模型必须预测熔岩流的速度、方向和范围。这些属性与熔岩冷却时的凝固方式密切相关。然而，为了实现实时速度，大多数当前模型都假设流动具有均匀的温度。这是一个直接影响模拟冷却速率的主要简化;一般来说，熔岩流在它们与空气或地面接触的边界处比在内部要冷得多。

为了在速度和真实感之间取得更好的折衷，DavidHyman和一个团队开发了一种基于物理的二维熔岩流模型，称为Lava2d。他们扩展了对熔岩包的传统垂直平均处理，将熔岩包视为三个不同的区域：靠近熔岩-空气边界的部分、靠近熔岩-地面边界的部分和流体状的中心核心。模拟流动的顶部和底部区域基于向空气和地面的热传递物理冷却，而中心的温度保持均匀，如在先前的方法中一样。这种设置使模型能够考虑温度梯度，而无需计算成本高昂的3D方法。

为了评估这项技术，作者将Lava2d应用于三个越来越现实的场景：假设的合成流、文献中描述的实验室创建的流以及来自真实世界喷发的流。他们发现模拟和测量的流动范围和实验室流动速度之间有很好的一致性，尽管流动的模拟表面温度比测量的要低，作者将这种差异归因于对实验装置进行建模的困难。

对于真实世界的测试，研究人员根据1984年莫纳罗亚火山喷发的最初几个小时为模型配置了输入。然后，他们模拟了12小时的流动，将模拟的范围与喷发结束时实际流动的测量位置进行了比较。尽管各种子流的范围被低估或高估，但该模型正确地识别了现实世界流的一般形态。

然而，该模型的计算效率是显而易见的。仅4.5分钟的计算时间就实现了12小时的模拟流程。研究人员指出，在现实世界的预测场景中，这种速度将使一组模型运行得以执行和平均，这将有助于弥补单个运行中的不准确性。他们的研究发表在《地球物理研究杂志：固体地球》上。