×

大气污染平流扩散问题的质量守恒时间二阶和空间四阶特征有限体积法。 (英语) Zbl 1433.65175号

针对大气污染物输送问题,作者发展了一个质量守恒的有限体积格式,该格式在时间上是二阶的,在空间上是四阶的。对流项用保守积分和特征跟踪方法处理,而扩散项用高阶离散通量处理。该方案满足质量守恒性和高精度。时间二阶特征方法减轻了CFL限制,并允许使用大时间步长进行高精度模拟。给出了一些数值试验来支持理论结果。

MSC公司:

6500万08 含偏微分方程初值和初边值问题的有限体积法
65平方米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的特征线方法的数值方面
35克49 输运方程
76兰特 扩散
76U60型 地球物理流
76T15型 尘气两相流
86A10美元 气象学和大气物理学
86年第35季度 与地球物理相关的PDE
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] I.J.Ackermann、H.Hass、M.Memmesheimer、A.Ebel、F.S.Binkowski和U.Shankar,《欧洲模式气溶胶动力学模型:发展和首次应用》,大气环境。,32(1998),第2981-2999页。
[2] T.Arbogast和C.Huang,螺线管场中对流扩散问题的完全保守欧拉-拉格朗日方法,J.Compute。物理。,229(2010),第3415-3427页·兹比尔1188.65135
[3] T.Arbogast和C.-S.Huang,运输问题特征方法的完全质量和体积守恒实现,SIAM J.Sci。计算。,28(2006),第2001-222页,https://doi.org/10.1137/040621077。 ·Zbl 1293.76097号
[4] T.Arbogast和M.F.Wheeler,对流主导输运问题的特征混合有限元方法,SIAM J.Numer。分析。,32(1995),第404-424页,https://doi.org/10.1137/0732017。 ·Zbl 0823.76044号
[5] U.M.Ascher、S.J.Ruuth和B.T.R.Wetton,含时偏微分方程的隐显方法,SIAM J.Numer。分析。,32(1995),第797-823页,https://doi.org/10.1137/0732037。 ·Zbl 0841.65081号
[6] M.Bassett和J.H.Seinfeld,硫酸盐和硝酸盐气溶胶的大气平衡模型,大气环境。(1967),17(1983),第2237-2252页。
[7] D.J.Benson,非线性有限元程序的一种高效、准确、简单的ALE方法,计算。方法应用。机械。工程,72(1989),第305-350页·Zbl 0675.73037号
[8] R.Bermejo,传输扩散方程的Galerkin特征算法,SIAM J.Numer。分析。,32(1995),第425-454页,https://doi.org/10.1137/0732018。 ·Zbl 0854.65083号
[9] M.Caputo、M.Gimeánez和M.Schlamp,大气扩散模型的相互比较,大气环境。,37(2003),第2435-2449页。
[10] M.A.Celia、T.F.Russell、I.Herrera和R.E.Ewing,平流-扩散方程的欧拉-拉格朗日局部伴随方法,《高级水资源》,13(1990),第187-206页。
[11] E.Celledoni和B.K.Kometa,对流占优问题的Semi-Lagrangian Runge-Kutta指数积分器,科学杂志。计算。,41(2009),第139-164页·Zbl 1203.65165号
[12] Y.Cheng,D.Liang,W.Wang,S.Gong,and M.Xue,用HDMR方法预测气溶胶热力学平衡的有效方法,大气环境。,44(2010年),第1321-1330页。
[13] P.Colella和P.R.Woodward,气动模拟的分段抛物线方法(PPM),J.Compute。物理。,54(1984),第174-201页·Zbl 0531.76082号
[14] C.N.Dawson、T.F.Russell和M.F.Wheeler,修改特征法的一些改进误差估计,SIAM J.Numer。分析。,26(1989),第1487-1512页,https://doi.org/10.1137/0726087。 ·兹伯利0693.65062
[15] E.Debry和B.Sportisse,《用尺寸法解决气溶胶凝结》,应用。数字。数学。,57(2007),第1008-1020页·Zbl 1115.76078号
[16] I.Dimov、T.Ostromsky和Z.Zlatev,《使用分裂技术进行大规模环境建模的挑战》,摘自《环境安全空气污染建模进展》,斯普林格出版社,2005年,第115-131页。
[17] J.Donea,《瞬态分析计算方法》中的任意拉格朗日-欧拉有限元方法,T.Belytschko和T.J.R.Hughes编辑,北荷兰,阿姆斯特丹,1983年,第474-516页·Zbl 0521.00025号
[18] J.Douglas,Jr.和T.F.Russell,基于特征线方法与有限元或有限差分程序相结合的对流主导扩散问题的数值方法,SIAM J.Numer。分析。,19(1982),第871-885页,https://doi.org/10.1137/0719063。 ·Zbl 0492.65051号
[19] R.E.Ewing、T.F.Russell和M.F.Wheeler,用混合有限元近似多孔介质中的混溶驱替的收敛性分析和修正特征法,计算。方法应用。机械。工程,47(1984),第73-92页·Zbl 0545.76131号
[20] H.Flanders,积分符号下的微分,Amer。数学。《月刊》,80(1973),第615-627页·Zbl 0266.26010号
[21] C.Fountoukis和A.Nenes,ISORROPIA:(K^+-Ca^{2+}-Mg^{2+/}-NH^+_4-Na^+-SO的高效计算热力学平衡模型^{2-}_4-no3^--Cl^--H_2 O气溶胶,大气化学。物理。,7(2007),第4639-4659页。
[22] S.K.Friedlander,《烟、尘和雾:气溶胶动力学基础》,化学工程专题,牛津大学出版社,2000年。
[23] T.M.Gaydos、R.Pinder、B.Koo、K.M.Fahey、G.Yarwood和S.N.Pandis,三维气溶胶化学传输模型的开发和应用,PMCAMx,大气环境。,41(2007年),第2594-2611页。
[24] G.A.Grell、S.E.Peckham、R.Schmitz、S.A.McKeen、G.Frost、W.C.Skamarock和B.Eder,WRF模型中的完全耦合“在线”化学,大气环境。,39(2005),第6957-6975页。
[25] P.Hansbo,对流扩散问题的特征流线扩散方法,计算。方法应用。机械。工程,96(1992),第239-253页·Zbl 0753.76095号
[26] C.W.Hirt、A.A.Amsden和J.Cook,适用于所有流速的任意拉格朗日-欧式计算方法,J.Compute。物理。,14(1974年),第227-253页·Zbl 0292.76018号
[27] C.-S.Huang、T.Arbogast和J.Qiu,平流问题的欧拉-拉格朗日WENO有限体积格式,J.Compute。物理。,231(2012),第4028-4052页·Zbl 1260.65083号
[28] Y.Huang,H.Shen,H.Chen,R.Wang,Y.Zhang,S.Su,Y.Chen,N.Lin,S.Zhuo,和Q.Zhong,燃烧和工业过程源的全球初级排放物(PM_{2.5},PM_{10})和TSP的量化,环境。科学。技术。,48(2014),第13834-13843页。
[29] R.Kamakoti和C.Pantano,涉及可变系数的二阶导数的高阶窄模板有限差分近似,SIAM J.Sci。计算。,31(2009),第4222-4243页,https://doi.org/10.1137/080740829。 ·Zbl 1205.65236号
[30] Y.P.Kim和J.H.Seinfeld,用移动截面法模拟多组分气溶胶凝结,胶体界面科学杂志。,135(1990),第185-199页。
[31] O.Kruöger和H.Graßl,欧洲上空的间接气溶胶效应,地球物理学。Res.Lett.公司。,29(2002),第31-1页。
[32] J.Kurokawa、T.Ohara、T.Morikawa、S.Hanayama、G.Janssens-Maenhout、T.Fukui、K.Kawashima和H.Akimoto,《2000-2008年亚洲地区的空气污染物和温室气体排放:ASia(REAS)第2版中的区域排放清单》,《大气化学》。物理。,13(2013),第11019-11058页。
[33] D.Lanser和J.G.Verwer,《空气污染建模中对流扩散反应问题的算子分裂分析》,J.Compute。申请。数学。,111(1999),第201-216页·Zbl 0949.65090号
[34] D.Liang,两相不混溶流数值模拟的特征混合有限元方法,科学。中国Ser。A、 34(1991),第1281-1289页·Zbl 0759.76043号
[35] D.Liang,K.Fu和W.Wang,通过有效分裂特征方法模拟多组分气溶胶传输问题,大气。环境。,144(2016),第297-314页。
[36] D.Liang、Q.Guo和S.Gong,解一般气溶胶动力学方程的一种新的分裂小波方法,气溶胶科学杂志。,39(2008),第467-487页。
[37] D.Liang、W.Wang和Y.Cheng,非线性气溶胶动力学方程的有效二阶特征有限元方法,国际。J.数字。方法工程,80(2009),第338-354页·Zbl 1176.76070号
[38] Z.Liu、D.Guan、W.Wei、S.J.Davis、P.Ciais、J.Bai、S.Peng、Q.Zhang、K.Hubacek和G.Marland,《中国化石燃料燃烧和水泥生产减少的碳排放估计》,《自然》,524(2015),第335-338页。
[39] I.Lomtev、R.Kirby和G.Karniadakis,运动区域中可压缩粘性流的间断Galerkin ALE方法,J.Compute。物理。,155(1999),第128-159页·Zbl 0956.76046号
[40] Z.Lu和D.Streets,东南亚成分,云,气候耦合区域研究排放清单,2012年,http://bio.cgrer.uiowa.edu/SEAC4RS/html。
[41] A.Lundberg、P.Sun、C.Wang和C.-S.Zhang,具有跳跃系数的瞬态Stokes界面问题的分布式拉格朗日乘子/虚拟域有限元方法,计算。模型。工程科学。,119(2019),第35-62页。
[42] R.D.Nair、J.S.Scroggs和F.H.Semazzi,《气候和大气化学模型的高效保守全球传输方案》,《月度天气评论》,130(2002),第2059-273页。
[43] R.D.Nair、J.S.Scroggs和F.H.M.Semazzi,全球半拉格朗日前向轨道交通方案,J.Compute。物理。,190(2003),第275-294页·Zbl 1236.86004号
[44] A.Nenes、S.N.Pandis和C.Pilinis,《ISORROPIA:多相多组分无机气溶胶的新热力学平衡模型》,《水生地球化学》。,4(1998年),第123-152页。
[45] C.Pilinis,多组分颗粒系统物种质量分布方程的推导和数值解,大气环境。A部分:一般主题,24(1990),pp.1923-1928。
[46] J.-M.Qiu和A.Christlieb,Vlasov方程的保守高阶半拉格朗日WENO方法,J.Compute。物理。,229(2010),第1130-1149页·Zbl 1188.82069号
[47] 邱振明,舒春伟,不可压缩流平流的守恒高阶半拉格朗日有限差分WENO方法,计算学报。物理。,230(2011年),第863-889页·Zbl 1391.76489号
[48] H.Rui和M.Tabata,对流扩散问题的质量守恒特征有限元格式,科学杂志。计算。,43(2010年),第416-432页·Zbl 1203.65187号
[49] A.Sandu,气溶胶动力学方程的分段多项式解,气溶胶科学。技术。,40(2006年),第261-273页。
[50] J.H.Seinfeld和S.N.Pandis,《大气化学和物理:从空气污染到气候变化》,John Wiley&Sons出版社,2012年。
[51] B.Sportisse,《空气污染建模与模拟当前问题综述》,计算机。地质科学。,11(2007),第159-181页·Zbl 1118.92065号
[52] J.M.Stockie,《大气扩散模型的数学》,SIAM Rev.,53(2011),第349-372页,https://doi.org/10.1137/10080991X。 ·Zbl 1231.86007号
[53] 美国环境保护署,《2008年国家排放清单:回顾、分析和重点》,https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-07/documents/2008report.pdf, 2008.
[54] H.Wang、D.Liang、R.E.Ewing、S.L.Lyons和G.Qin,用欧拉-拉格朗日局部伴随法和混合有限元方法近似点源和汇多孔介质中的混溶流体流动,SIAM J.Sci。计算。,22(2000),第561-581页,https://doi.org/10.1137/S1064827598349215。 ·Zbl 0988.76054号
[55] J.Wang、Z.Si和W.Sun,多孔介质中混相驱替混合FEM特征的新误差分析,SIAM J.Numer。分析。,52(2014),第3000-3020页,https://doi.org/10.1137/10939717。 ·Zbl 1433.65315号
[56] E.R.Whitby和P.H.McMurry,模态气溶胶动力学建模,气溶胶科学。技术。,27(1997),第673-688页。
[57] L.White和A.Adcroft,非均匀网格的高阶有限体积重映射方案:分段四次法(PQM),J.Compute。物理。,227(2008),第7394-7422页·Zbl 1140.76026号
[58] K.Yang、P.Sun、L.Wang、J.Xu和L.Zhang,流体和旋转结构相互作用的建模和模拟,计算。方法应用。机械。工程,311(2016),第788-814页·Zbl 1439.74119号
[59] M.Zerroukat和T.Allen,运输问题的三维单调保守半拉格朗日格式(SLICE-3D),夸特。J.皇家气象。Soc.,138(2012),第1640-1651页。
[60] M.Zerroukat、N.Wood和A.Staniforth,保守传输问题的抛物线样条方法(PSM),国际。J.数字。《液体方法》,51(2006),第1297-1318页·Zbl 1158.76372号
[61] M.Zerroukat、N.Wood和A.Staniforth,抛物线样条方法(PSM)在多维保守半拉格朗日输运格式(SLICE)中的应用,J.Compute。物理。,225(2007),第935-948页·Zbl 1343.76054号
[62] Q.Zhang,D.G.Streets,G.R.Carmichael,K.He,H.Huo,A.Kannari,Z.Klimont,I.Park,S.Reddy,J.Fu等人,美国宇航局INTEX-B任务2006年亚洲排放量,大气化学。物理。,9(2009年),第5131-5153页。
[63] Y.Zhang、B.Pun、K.Vijayaraghavan、S.-Y.Wu、C.Seigneur、S.N.Pandis、M.Z.Jacobson、A.Nenes和J.H.Seinfeld,气溶胶动力学、反应、电离和溶解模型的开发和应用(马德里),J.Geophys。Res.大气。,109(2004),D01202。
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。