×

模拟多层海洋模型的指数时间差分。 (英语) Zbl 1453.86019号

总结:结合空间模拟离散化,发展了多层旋转浅水方程的指数时间离散化框架。该方法基于现有指数时间差分(ETD)方法和仔细选择近似雅可比矩阵。考虑到模型的离散哈密顿结构和守恒性质,以确保该方法在大时间步长和模拟范围内的稳定性。在多层的情况下,可以通过基于快速和慢速模式垂直结构的层缩减来进一步提高效率。以中纬度区域海洋模型为例的数值实验证实,时间步长在显式CFL上增加一个数量级的长期稳定性,同时保持关键统计量的准确性。

MSC公司:

86A05型 水文学、水文学、海洋学
6500万06 含偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
6500万08 含偏微分方程初值和初边值问题的有限体积法
86-08 地球物理问题的计算方法
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 杜科维茨,J.K。;Smith,R.D.,Bryan-Cox-Semtner海洋模型的隐式自由曲面方法,J.Geophys。研究,99,7991-8014(1994)
[2] Higdon,R.L.,分层海洋环流模型的两级时间步进方法:进一步开发和测试,J.Comput。物理。,206, 463-504 (2005) ·Zbl 1121.86002号
[3] 林格勒,T。;彼得森,M。;希格登,R.L。;雅各布森,D。;琼斯,P.W。;Maltrud,M.,全球海洋建模的多分辨率方法,海洋模型。,6911-232(2013)
[4] Madala,R.V.,《大气和海洋模型的有效时间积分方案》,(Book,D.L.,矢量化流体动力学计算的有限差分技术(1981),Springer-Verlag:Springer-Verlag纽约,柏林),56-74·Zbl 0475.76001号
[5] Higdon,R.L.,海洋环流的数值模拟,《数值学报》。,15, 385-470 (2006) ·Zbl 1108.76002号
[6] Hochbruck,M。;Ostermann,A.,指数积分器,《数值学报》。,19, 209-286 (2010) ·Zbl 1242.65109号
[7] 阿奇博尔德,R。;Evans,K.J。;德雷克,J。;White,J.B.,立方球体上浅水方程的多小波间断Galerkin加速精确线性部分(ELP)方法,Mon。《天气评论》,139,457-473(2011)
[8] 克兰西,C。;Pudykiewicz,J.A.,《关于指数时间积分方法在大气模型中的应用》,Tellus A,65(2013)
[9] Gaudreault,S。;Pudykiewicz,J.A.,球上浅水方程数值解的有效指数时间积分方法,J.Compute。物理。,322827-848(2016)·Zbl 1351.76106号
[10] Luan,V.T。;Pudykiewicz,J.A。;Reynolds,D.R.,《气象模型高效准确时间积分方案的进一步发展》,J.Compute。物理。,376, 817-837 (2019) ·兹比尔1416.86011
[11] Thuburn,J。;林格勒,T。;斯科马洛克,W。;Klemp,J.,任意结构C网格上地转模式的数值表示,J.计算。物理。,228, 8321-8335 (2009) ·Zbl 1173.86304号
[12] 林格勒,T.D。;Thuburn,J。;Klemp,J.B。;Skamarock,W.C.,《任意结构C网格的能量守恒和位涡动力学统一方法》,J.Compute。物理。,229, 3065-3090 (2010) ·Zbl 1307.76054号
[13] Hochbruck,M。;Ostermann,A.,半线性抛物问题的显式指数Runge-Kutta方法,SIAM J.Numer。分析。,43069-1090(2005年)·Zbl 1093.65052号
[14] Stewart,A.L。;Dellar,P.J.,具有完全科里奥利力的多层浅水方程的能量和势能守恒数值格式,J.Compute。物理。,313, 99-120 (2016) ·Zbl 1349.65335号
[15] Dukowicz,J.K.,分层海洋模型中正压模式的结构,海洋模型。,11, 49-68 (2006)
[16] Chelton,D.B。;德佐克,R.A。;Schlax,M.G。;Naggar,K.E。;Siwertz,N.,《第一斜压Rossby变形半径的地理变异性》,J.Phys。海洋学家。,28333-460(1998年)
[17] Thuburn,J。;Cotter,C.J.,《任意多边形网格上旋转浅水方程的模拟离散化框架》,SIAM J.Sci。计算。,34,B203-B225(2012)·Zbl 1246.65155号
[18] 尼森,J。;W.M.Wright,《算法919:计算指数积分器中出现的φ函数的Krylov子空间算法》,ACM Trans。数学。软质。,38, 22 (2012) ·Zbl 1365.65185号
[19] 莫勒,C。;Van Loan,C.,《计算矩阵指数的十九种可疑方法》,25年后,SIAM Rev.,45,3-49(2003)·Zbl 1030.65029号
[20] Saad,Y.,矩阵指数算子的Krylov子空间近似分析,SIAM J.Numer。分析。,29, 209-228 (1992) ·Zbl 0749.65030号
[21] Bergamaschi,L。;卡利亚里,M。;Vianello,M.,对流扩散方程有限元离散化的ReLPM指数积分器,(国际计算科学会议(2004),Springer),434-442·Zbl 1107.65081号
[22] Suhov,A.Y.,指数积分器的精确多项式近似,J.Sci。计算。,60, 684-698 (2014) ·Zbl 1304.65210号
[23] Haut,T.S。;Babb,T。;Martinsson,P.G。;Wingate,B.A.,一种通过直接构造近似时间演化算子来解决波传播问题的高阶时间并行方案,IMA J.Numer。分析。,36, 688-716 (2015) ·Zbl 1433.65190号
[24] Sidje,R.B.,Expokit:计算矩阵指数的软件包,ACM Trans。数学。软质。,24, 130-156 (1998) ·Zbl 0917.65063号
[25] 费伯,V。;Manteuffel,T.,共轭梯度法存在的充要条件,SIAM J.Numer。分析。,21, 352-362 (1984) ·Zbl 0546.65010号
[26] 格雷夫,C。;Varah,J.,不对称线性系统的迭代解,SIAM J.矩阵分析。申请。,31, 584-601 (2009) ·Zbl 1191.65028号
[27] Vo、H.D。;Sidje,R.B.,使用不完全正交化和可变维的Krylov子空间逼近大型稀疏矩阵指数,Numer。线性代数应用。,24 (2017) ·Zbl 1424.65063号
[28] Hochbruck,M。;Lubich,C.,《关于矩阵指数算子的Krylov子空间逼近》,SIAM J.Numer。分析。,34, 1911-1925 (1997) ·Zbl 0888.65032号
[29] 陈,Q。;Gunzburger,M。;Ringler,T.,预期位涡方法的比例-变分公式,Mon。《天气评论》,1392614-2629(2011)
[30] Wolfram,P.J。;林格勒,T.D。;Maltrud,M.E。;雅各布森,D.W。;Petersen,M.R.,《通过拉格朗日原位全球高性能粒子追踪(LIGHT)诊断涡流理想中纬度洋盆的等密度扩散率》,J.Phys。海洋学家。,45, 2114-2133 (2015)
[31] 林格勒,T。;Ju,L。;Gunzburger,M.,气候系统建模的多分辨率方法:球面质心Voronoi细分的应用,海洋动力学。,58, 475-498 (2008)
[32] Botchev,M.A.,光子晶体建模中Maxwell方程的Krylov子空间指数时域解,J.Compute。申请。数学。,293, 20-34 (2016) ·兹比尔1322.65056
[33] Celledoni,E。;Moret,I.,ODE系统的Krylov投影方法,应用。数字。数学。,24, 365-378 (1997) ·兹伯利0885.65073
[34] 德鲁斯金,V。;格林鲍姆,A。;Knizhnerman,L.,《在矩阵函数计算中使用非正交Lanczos向量》,SIAM J.Sci。计算。,19, 38-54 (1998) ·兹比尔0912.65021
[35] Bresch,D.,第1章-浅水方程和相关主题,(Dafermos,C.;Pokorn,M.,《微分方程手册:演化方程》,第5卷。微分方程手册:演化方程,第5卷,微分方程手册(2009),北荷兰人),1-104·Zbl 1193.35147号
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。