To understand high precision observations of exoplanets and brown dwarfs, we need detailed and complex general circulation models (GCMs) that incorporate hydrodynamics, chemistry, and radiation. For this study, we specifically examined the coupling between chemistry and radiation in GCMs and compared different methods for the mixing of opacities of different chemical species in the correlated-k assumption, when equilibrium chemistry cannot be assumed. We propose a fast machine learning method based on DeepSets (DS), which effectively combines individual correlated-k opacities (k-tables). We evaluated the DS method alongside other published methods such as adaptive equivalent extinction (AEE) and random overlap with rebinning and resorting (RORR). We integrated these mixing methods into our GCM (expeRT/MITgcm) and assessed their accuracy and performance for the example of the hot Jupiter HD~209458 b. Our findings indicate that the DS method is both accurate and efficient for GCM usage, whereas RORR is too slow. Additionally, we observed that the accuracy of AEE depends on its specific implementation and may introduce numerical issues in achieving radiative transfer solution convergence. We then applied the DS mixing method in a simplified chemical disequilibrium situation, where we modeled the rainout of TiO and VO, and confirmed that the rainout of TiO and VO would hinder the formation of a stratosphere. To further expedite the development of consistent disequilibrium chemistry calculations in GCMs, we provide documentation and code for coupling the DS mixing method with correlated-k radiative transfer solvers. The DS method has been extensively tested to be accurate enough for GCMs; however, other methods might be needed for accelerating atmospheric retrievals.


翻译:为了理解系外行星和褐矮星的高精度观测,我们需要包含流体动力学、化学和辐射过程的详尽而复杂的通用环流模型(GCM)。在本研究中,我们重点考察了GCM中化学与辐射的耦合机制,并比较了在无法假设化学平衡时,相关-k方法框架下不同化学物种不透明度混合方法的差异。我们提出了一种基于深度集合(DeepSets, DS)的快速机器学习方法,该方法能有效组合独立的相关系数不透明度(k表格)。我们评估了DS方法及其他已发表方法(如自适应等效消光AEE和重采样重排序随机重叠RORR),并将这些混合方法集成到我们的GCM(expeRT/MITgcm)中,以热木星HD~209458 b为例分析其精度与性能。结果表明:DS方法兼具高精度与高效率,适用于GCM,而RORR方法计算速度过慢。此外,我们发现AEE方法的精度依赖于具体实现方式,并可能在辐射传输解收敛过程中引入数值问题。我们在简化的化学非平衡场景中应用DS混合方法,模拟了TiO和VO的雨除效应,证实其会阻碍平流层的形成。为进一步推进GCM中非平衡化学自洽计算的开发,我们提供了耦合DS方法与相关-k辐射传输求解器的文档和代码。DS方法经过充分测试,其精度足以满足GCM需求;但加速大气反演可能需要其他方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

DirectShow是一种由微软公司开发的能够让软件开发者对媒体文件执行各种不同处理的应用程序设计接口。
专知会员服务
55+阅读 · 2020年3月16日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4月25日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
3+阅读 · 今天10:12
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
3+阅读 · 今天9:53
俄乌战场地面机器人如何改写战争规则
专知会员服务
8+阅读 · 6月14日
《无人水面艇文献综述与结构设计》135页
专知会员服务
12+阅读 · 6月13日
相关VIP内容
专知会员服务
55+阅读 · 2020年3月16日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4月25日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员