پیوندهای مفید
اخبار و اعلانات
آمار
| تعداد نشریات | 161 |
| تعداد شماره‌ها | 6,532 |
| تعداد مقالات | 70,501 |
| تعداد مشاهده مقاله | 124,112,123 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 97,215,966 |
کاربست روش طیفی برای حل عددی معادلات آب کمعمق منطقه محدود | ||
| فیزیک زمین و فضا | ||
| مقاله 12، دوره 39، شماره 1، اردیبهشت 1392، صفحه 151-162 اصل مقاله (1.9 M) | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22059/jesphys.2013.31952 | ||
| نویسندگان | ||
| حسین غلامی1؛ علیرضا محب‌الحجه* 2؛ سرمد قادر2 | ||
| 1دانش‌آموخته کارشناسی ارشد هواشناسی، گروه فیزیک فضا، مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، ایران | ||
| 2دانشیار، گروه فیزیک فضا، مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| در این پژوهش، روش شبه‌طیفی برای حل عددی معادلات آب کمعمق دوبُعدی غیرخطی در منطقه محدود به کار گرفته می‌شود. روش شبه‌طیفی بر استفاده از توانایی روش طیفی در برآورد مشتقات فضایی تابع‌هایی که به قدر کافی هموارند، استوار است. در مدل منطقه محدود ساخته شده برمبنای طرحواره دارای پایستاری آنستروفی پتانسیلی سادورنی برای معادلات آب کمعمق یا بسیط فشارورد، به‌جای تفاضل مرکزی از روش طیفی برمبنای تابع‌های فوریه برای برآورد مشتقات فضایی استفاده می‌شود. برای کاربست روش شبه‌طیفی در منطقه محدود که در هیچ‌یک از دو راستای شرقی- غربی و شمالی- جنوبی حوزه محاسباتی دوره‌ای نیست، از الگوی گسترش و واهلش هاگن و مکنهاور استفاده می‌شود. برای پایداری محاسباتی یک میرایی صریح به‌صورت پخش عددی با ضرایب متفاوت برای معادلات تکانه و ژئوپتانسیل به الگوریتم افزوده می‌شود. برای به‌روزرسانی کمیت‌های مدل در هر گام زمانی از طرحواره زمانی لیپ‌فراگ به همراه پالایه روبرت- آسلین استفاده می‌شود. نتایج برای یک مورد پیش‌بینی 48 ساعته با استفاده از روش طیفی در تفکیک‌های فضایی 150، 75 و 5/37 کیلومتر عرضه و مقایسه می‌شوند. جواب‌ها در تفکیک 150 کیلومتر به‌دلیل اثر پخش عددی و نیز میرایی خود میدان زمینه بسیار هموارند و این میرایی زیاد باعث جدایی جواب‌ها از جواب‌های متناظر الگوریتم تفاضل متناهی می‌شود. با این‌حال در تفکیک‌های 75 و 5/37 کیلومتر حرکت الگوهای مقیاس همدیدی و حتی زیرهمدیدی دارای نمایشی رضایت‌بخش هستند. محاسبه خطای روش طیفی از دیدگاه نبود توازن، حاکی از گسیل بی‌توازنی نسبتاً بزرگی از منطقه گسترش به داخل حوزه محاسباتی است. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| منطقه محدود؛ معادلات آب کمعمق؛ روش شبه‌طیفی؛ روش تبدیل؛ گسترش دوره‌ای؛ منطقه واهلش؛ میدان زمینه | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Application of the spectral method to solve the limited-area shallow-water equations | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Hosein Gholami1؛ Alireza Mohebalhojeh2؛ Sarmad Ghader2 | ||
| 1M.Sc. Graduate of Meteorology, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran | ||
| 2Associate Professor, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| *نگارنده رابط: تلفن: 61118325-021 دورنگار: 88630548-021 E-mail:amoheb@ut.ac.ir The pseudo-spectral method is used to solve the shallow-water equations in a limited-area domain. The spectral computation of spatial derivatives in the pseudo-spectral method makes it in effect equivalent to a Galerkin spectral-transform method commonly used in numerical modeling of fluid flows. Based on the potential-enstrophy conserving scheme introduced by Sadourny in 1975, the limited-area model is constructed by replacing the second-order finite-difference computation of spatial derivatives with the spectral method using Fourier basis functions. Since the limited-area domain is not periodic in the east-west and north-south directions, in order to apply the spectral method, the domain has to be made periodic using an extension zone as proposed by Haugen and Machenhauer. The background field obtained using the "Global Forecast System" (GFS) data is extended periodically and matched to the limited-area field across a relaxation zone which is introduced in order to reduce the adverse effects of the artificial extension of the field variables. In this way, the prognostic variables of the limited-area model including the velocity components and geopotential height are made periodic. To alleviate false generation of imbalance in the extension zone, two actions are taken. First, because of its large variation across the main limited-area domain, the geopotential height was decomposed to a zonal mean and a perturbation and the latter field was made periodic. Second, in the extension zone the velocity components were constructed using geostrophic approximation. Even with these two actions, the amount of imbalance penetrating the computation domain was sufficient to cause computational instability. In order to further control the generation of imbalance and reach computational stability, an explicit damping in the form of numerical diffusion was added to the equations of momentum and geopotential height with different diffusion coefficients for momentum and height. For time-stepping, a three-time-level leapfrog scheme with Robert-Asselin filter to remove the computational mode was used. For a case, previously examined in literature, related to 1st of February 2003, results for the 48-hour prediction using the spectral algorithm in 150, 75 and 37.5 km resolutions are presented, compared and assessed using two norms, one measuring the deviation from the actual GFS fields and the other measuring the maintenance of balance during the 48-hour integrations. To determine balanced fields, the first-order implicit normal-mode initialization procedure is used. The spatial resolution refers to the grid spacing at latitude. At 150 km resolution, the predicted fields are excessively damped due to a combination of the numerical diffusion required for stability and the smoothness of the background fields used in the relaxation process. The excessive damping causes a significant departure of the fields from the results for the second-order finite-difference algorithm. At 75 and 37.5 km resolutions, however, the synoptic and even sub-synoptic scale motions are represented sufficiently well. The assessment of balance maintenance shows that a large amount of imbalance is emitted from the extension zone to the computational domain, making the limited-are spectral algorithm much less balance-preserving compared with the corresponding second-order finite-difference algorithm. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Limited area, Shallow water, Spectral method, Transform method, Periodic extension, Relaxation zone, Background field | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 3,308 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,722 |
||