Was sind die Unterschiede zwischen CFD-Simulationen und realistischen Ozean / Atmosphäre-Modellsimulationen?

Das Gebiet der Computational Fluid Dynamics (CFD) widmet sich der Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen (oder einer Vereinfachung davon). Eine Teilmenge von CFD-, Ozean- und Atmosphärenmodellen löst numerisch dieselben Gleichungen für realistische Anwendungen. Was sind die Unterschiede und Kompromisse zwischen den allgemeinen CFD-Ansätzen und den angewandten realistischen Fällen?

— Arkaia
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Ozean- und Atmosphärenmodelle, die Navier-Stokes lösen, sind eine Teilmenge aller CFD-Methoden. Wie geschrieben steht, scheint diese Frage ein bisschen wie die Frage zu sein: "Was sind die Unterschiede und Kompromisse zwischen Mountainbikes und Bikes?" Wollen Sie fragen, welche Annahmen oder Spezialisierungen in Ozean- und Atmosphärenmodellen erforderlich sind? Dies scheint das zu sein, was @Jed unten antwortet.

— Doug Lipinski

Vielen Dank. Ich habe versucht, die Frage entsprechend zu bearbeiten. Nach meiner Erfahrung würden sich die meisten Menschen, die Ozean- und Atmosphärenmodelle durchführen, nicht als CFD bezeichnen.

— Arkaia

Ich bin mir bei der Frage wohl noch nicht ganz sicher. Was würden Sie als "allgemeinen" CFD-Ansatz betrachten? Sobald Sie mit der Diskretisierung der NS-Gleichungen für CFD beginnen, treffen Sie Entscheidungen, die die Allgemeinheit verringern, sodass alle CFD-Methoden in gewisser Weise auf ihre beabsichtigten Anwendungen spezialisiert sind. Für mich ist es viel sinnvoller, die Entscheidungen zu diskutieren, die in geophysikalischen Fluiddynamikmodellen (GFD) getroffen werden (und warum). ZB rotierende Referenzrahmen, geschichtete Strömungen, Turbulenzmodelle. Diese Auswahlmöglichkeiten unterscheiden sich von z. B. CFD für Schocks in transsonischen Strömungen.

— Doug Lipinski

Ich denke, die Frage, die Sie zu den Auswahlmöglichkeiten in GFD-Modellen stellen, ist ebenfalls relevant und es könnte sich lohnen, sie zu veröffentlichen. Aus meiner

— Sicht wird das

Hintergrundinformationen finden Sie in der WRF-Dokumentation. Siehe z. B. www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

— stali

Antworten:

Atmosphäre und Ozean haben stark geschichtete Strömungen, in denen die Coriolis-Kraft eine Hauptquelle für Dynamik ist. Die Aufrechterhaltung des geostrophischen Gleichgewichts ist äußerst wichtig, und viele numerische Schemata sollen genau kompatibel sein (zumindest ohne Topographie), um zu vermeiden, dass Energie in Gravitationswellen abgestrahlt wird. Aufgrund der Schichtung ist die Begrenzung der vertikalen numerischen Diffusion äußerst wichtig, und zu diesem Zweck werden häufig spezielle Gitter (insbesondere im Ozean) verwendet. Viele Methoden sind effektiv 2,5-dimensionale Formulierungen.

Für die Klimasimulation über lange Zeiträume wird die Erhaltung von Energie und anderen Flussmitteln (wie Salz) häufig als kritisch für statistisch aussagekräftige Ergebnisse angesehen. Methoden, die weniger genau sind und bestimmte numerische Artefakte aufweisen, können gewählt werden, um eine Dämpfung der Dynamik zu vermeiden. Beachten Sie, dass die Langzeitdynamik auf kontinentalen Skalen, die über mehrere Jahrzehnte gemittelt werden, möglicherweise nicht homogenisiert.

Industrielle CFD-Löser werden in der Regel für Strömungen verwendet, die isotroper (wirklich 3D) sind und Coriolis häufig vernachlässigen. Sie haben oft einen stärkeren Antrieb und damit weniger kritische Anforderungen an die Energieeinsparung. Es ist üblich, mit starken Schocks umzugehen. In diesem Fall müssen nichtlineare räumliche Diskretisierungen verwendet werden, obwohl sie dissipativer sind.

Da Laborexperimente tatsächlich für die meisten industriellen Anwendungen durchgeführt werden können, wird die Software stärker validiert. Wettermodelle haben ebenfalls eine ständige Validierung, aber Klimamodelle sind aufgrund der Zeitskalen und der unvermeidbaren Überanpassung kaum zu validieren.

— Jed Brown
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Es sollte jedoch beachtet werden, dass Klimamodelle durch zwei Ansätze validiert werden: (i) Vergleich mit dem vergangenen Klima, beispielsweise in den letzten 150 Jahren, in denen wir ziemlich genaue Daten haben, (ii) durch Vergleich zwischen verschiedenen Klimamodellen, die unabhängig voneinander sind entwickelt. Das ist nicht der gleiche Standard wie für CFD-Codes, aber es ist weitaus besser als jeder gewöhnliche Code, der von Wissenschaftlern für Wissenschaftler geschrieben wurde :-)

— Wolfgang Bangerth

@ WolfgangBangerth Es ist immer noch überpassend. Die Modelle hängen von einer Vielzahl einstellbarer Parameter ab. Das Ändern von Auflösung, Zeitschritten oder anderen Komponenten eines Modells erfordert eine "Neukalibrierung". Die Neukalibrierung ist ein äußerst arbeitsintensiver und subjektiver Prozess (viele Personenjahre). Es ist einfach nicht möglich, dass heutige Weltklasse-Wissenschaftler die letzten 50 Jahre der Beobachtungen ignorieren, während sie Jahre damit verbringen, ein Modell zu kalibrieren, um eine Überanpassung bei einem (riskanten) Versuch zu vermeiden, die jüngste Klimageschichte zu reproduzieren.

— Jed Brown

Ich bin nicht anderer Meinung. Klimacodes sind empfindliche Wesen. Ich wollte nur darauf hinweisen, dass Ihre Antwort zu implizieren scheint, dass Klimacodes grundsätzlich keine Validierung erhalten. Das ist nicht wahr. (Es ist auch etwas, das wir der Öffentlichkeit gegenüber betonen müssen - siehe youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k ).

— Wolfgang Bangerth

Im Vergleich zu technischen oder Wettervorhersagen, die viele unabhängige Erkenntnisse haben, weist das Klima im Wesentlichen eine Erkenntnis auf, von der wir wissen, dass sie unter Überanpassung leidet. Wenn ich meinen Hut für Angewandte Mathematik aufsetze, erinnere ich mich, dass die Überprüfung der Validierung vorausgehen soll und dass die Validierung eher ein fortlaufender Prozess als eine Aufgabe ist, die abgeschlossen werden kann. Da Klimamodelle räumlich und zeitlich nicht konvergent sind, ist es schwierig, über Verifikation zu sprechen, und wir haben nur eine Erkenntnis.

— Jed Brown

Während wir uns als Gemeinschaft über bestimmte kausale Zusammenhänge und allgemeine Trends einig sind, können wir uns nicht darüber einig sein, ob das Vorzeichen einer durchschnittlichen Oberflächentemperatur von 30 Jahren in Nordamerika vorhersehbar ist. Die Ergebnisse des jüngsten CESM Large Ensemble Project deuten darauf hin, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist. Folglich wissen wir nicht, ob quantitative Fragen der Regionalpolitik gut gestellt sind, geschweige denn, ob man den heutigen Modellen vertrauen kann, um aussagekräftige Antworten zu geben. Dies soll das Feld nicht verunglimpfen oder das Vertrauen in die breitere Interpretation verringern. Das Problem ist schwer.

— Jed Brown

Jed Brown beschrieb den traditionellen Ansatz, der in mesoskaligen und größeren Modellen verwendet wird. Tatsächlich sind viele atmosphärische Modelle im Mikromaßstab sehr ähnlich zu herkömmlichen CFD-Codes, verwenden ähnliche Diskretisierungen mit endlichem Volumen, ähnliche 3D-Gitter, bei denen vertikal ähnlich wie horizontal behandelt wird, und so weiter. Abhängig von den Auflösungen werden sogar Merkmale wie Gebäude mit denselben Ansätzen aufgelöst, die aus der technischen CFD bekannt sind, wie die Methoden der eingetauchten Begrenzung oder die am Körper angepassten Gitter.

Sie können auf alle Diskretisierungstechniken stoßen, die Sie aus der technischen CFD kennen, wie endliche Differenzen, endliche Volumina, pseudospektrale und sogar finite Elemente. Die gleichen Druckkorrekturmethoden (Bruchschritt) werden häufig verwendet, um die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen zu lösen (mit den Boussinesq- oder anelastischen Begriffen für den Auftrieb).

Natürlich werden üblicherweise unterschiedliche Parametrisierungen für die Wärme- und Impulsflüsse in der Nähe der Oberfläche verwendet, wobei die Besonderheiten der Land-Oberflächen-Wechselwirkungen wie die Monin-Obukhov-Ähnlichkeit oder andere semi-empirische Beziehungen berücksichtigt werden.

Die gesamte Methode der Large-Eddy-Simulation (LES), die heute in der Technik sehr beliebt ist, stammt ursprünglich aus der Grenzschichtmeteorologie. Ich würde sogar sagen, dass viele atmosphärische Modellierer in dieser Größenordnung überhaupt nicht zögern würden, ihre Arbeit CFD zu nennen.

In vielen (aber nicht allen) Anwendungen müssen Sie auch die Coriolis-Kraft hinzufügen. Die Schemata müssen nicht ausgewogen sein, es handelt sich jedoch nur um eine zusätzliche Volumenkraft. Wenn Sie auch die Prozesse wie Wolkenbildung, Niederschlag und Strahlung berechnen, werden die Dinge komplizierter, aber das Gleiche gilt für technische Modelle, die Reaktionskinetik, Verbrennung und ähnliches lösen.

Diese Klasse von Modellen umfasst auch diejenigen, die die von Ihnen angeforderten Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre berücksichtigen, siehe beispielsweise https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

— Vladimir F.
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Der Unterschied zwischen Wettervorhersagesoftware und "Casual CFD Solver" besteht darin, wie die Wettervorhersage beim Übergang von Wasser funktioniert. Wasser wird als zweite Komponente behandelt, sodass das Modell mit 2 Komponenten dreidimensional wird.

$\omega$ $d \omega/dt = (\omega \nabla) u + \nu \nabla^2 \omega$

— Sanaris
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Verschiedene Modelle arbeiten mit verschiedenen Dingen. Wenn Sie mit Omega Vorticity meinen, als es einige Wettermodelle verwenden, tun es andere nicht.

— Vladimir F