正二十面体六边形网格上的全球数值模式开发

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ywbll
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本文使用多矩约束有限体积算法MCV(Multi Moment Constrained FiniteVolume Scheme)在正二十面体六边形网格上发展了具有三阶精度的全球浅水波模式。   多矩方法使用两种或两种以上的物理场离散矩,通过引入局地自由度,在紧致的插值模板上构建高阶空间重构,特别适用于在球面正二十面体六边形网格上构建高阶算法;通过引入空间积分平均值作为限制条件或计算变量,多矩方法在数值离散求解过程中满足严格的质量守恒,对构建大气、海洋模式十分有利;同其他基于局域高阶重构的算法相比,多矩方法引入具有明确物理意义的空间离散变量(自由度)或限制条件,从而使得时间发展方程具有较简洁的形式,以及较高的计算效率。   建立全球大气、海洋模式的一个关键问题是球面计算网格的选取,本文使用基于正二十面体六边形的球面网格,消除了传统经纬网格在极地附近区域的控制方程奇异性和网格不均匀性。使用多矩思想,在每个六边形计算单元内定义7个空间点上的物理场值作为计算变量,引入边界顶点上的点值(Point Value,PV)和单元积分平均值(Volume-Integrated Average,VIA)这两个离散矩作为限制条件,构建了具有三阶精度的MCV全球浅水波模式。在推导PV及VIA的时间发展方程时,考虑六边形计算单元的特点,提出了对导数黎曼问题和球面MCV限制方程的修正处理方法,保证了数值模式的收敛性。利用标准测试算例对本研究提出的球面平流及浅水波模式进行了检验,所得数值计算结果与已有的基于其它现代数值算法的模式相比很具竞争力。此外,本文提出的全球模式在计算效率和进一步向更高阶精度模式扩展方面有明显的优势,为建立新一代全球大气、海洋环流模式提供了高性能数值框架。  
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