Zwei-Wege-Nestung und dynamische Gitterverfeinerung als Methoden zur direkten Simulation kleinräumiger meteorologischer Prozesse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Simulation atmosphärischer Vorgänge werden die Effekte kleinräumiger Prozesse im Allgemeinen parametrisiert. Für Untersuchungen z.B. zur Zyklonenbildung oder von Heterogenitäten in Fronten müssen diese Prozesse dagegen direkt berechnet werden. Dieses kann mit einem feinen Gitter in Form einer hoch aufgelösten Modellierung geschehen, die allerdings mit erheblichem Integrationsaufwand verbunden ist. Hybride Methoden der direkten Simulation sind Ein-Wege-Nestung und sprunghafte Gitterverfeinerung. Deren Einflüsse auf die Ergebnisgüte sind in diesem Projekt untersucht worden. Die Güte der Modellergebnisse hängen bei Ein-Wege-Nestung erheblich vom Aktualisierungsintervall der Antriebsdaten ab. Ist dieses zu lang, verschlechtert sich die Vorhersagegüte. Als Maßzahl für die Steuerung der Ergebnisausgabe konnte das 30-Perzentil der charakteristischen Zeit der Phänomene gefunden werden, das laufend im Modell mit der seit der letzten Ausgabe vergangenen Zeitspanne vergleichen wird. Zur Prüfung, ob die Antriebsdaten in einem genesten Modellgebiet häufig genug vorliegen, wurde aus den Modelluntersuchungen eine räumliche Korrelation zwischen aufeinander folgenden Antriebsfeldern von mindestens 0.9 abgeleitet. Für erfolgreiche Simulationen mit sprunghafter Gitterverfeinerung ist es erforderlich, robuste Advektionsverfahren (neu entwickelte FIENO und weiter entwickelte ENO Methoden) und einen schnell rechnenden Drucklöser zu nutzen, der trotz der Asymmetrie der Matrix im Falle nicht-äquidistanter Gitter schnell konvergiert. Hier hat sich der Multigrid-Löser BiCGStab als am besten geeignet herausgestellt. Ferner darf der Verfeinerungsfaktor bei sprunghafter Gitterverfeinerung nicht größer als drei sein, um die Reflektion von Schwerewellen einzudämmen. Mit diesen Veränderungen lässt sich je nach Anwendungsfall eine Rechenzeitersparnis von bis zu 80% gegenüber der hoch aufgelösten Modellierung erreichen. Zur Simulation kleinräumiger Prozesse sind sowohl Ein-Wege-Nestung als auch sprunghafte Gitterverfeinerung geeignet und qualitativ gleichwertig, vorausgesetzt, die Methoden sind sinnvoll aufgesetzt. Dazu zählt eine ausreichende Aktualisierung der Antriebsdaten (Ein-Wege-Nestung) und geeignete numerische Methoden (sprunghafte Gitterverfeinerung). Wird allein der kostengünstigste Weg gesucht können beide Methoden als gleichwertig betrachtet werden. Sie benötigen gegenüber hoch aufgelöster Simulation nur etwa 25% der Rechenzeit bei (meist) gleicher Ergebnisgüte. Die Ergebnisgüte hängt allerdings bei beiden Methoden davon ab, ob das hoch aufgelöste Modellgebiet nicht nur in den Bereich gelegt wird, für den die Vorhersage erstellt werden soll, sondern auch in den Bereich, aus dem Ungenauigkeiten der Vorhersage resultieren. Hierfür sollten zukünftig Fehlerkontrollmethoden entwickelt werden, mit deren Hilfe die Positionierung eines hoch aufgelösten Gitters bestimmt werden kann. Ein-Wege Nestung ist für Situationen, in denen der Energietransport hauptsächlich von den relativ größeren Skalen hin zu den kleinräumigen Prozessen stattfindet, aber nicht in entgegen gesetzter Richtung die sinnvolle Methode zur direkten Simulation kleinräumiger Phänomene. Sprunghafte Gitterverfeinerung ist vor allem dann sinnvoll, wenn Energietransport auch von kleinen auf große Skalen erwartet werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2006): Numerical dispersion of gravity waves, ECCOMAS CFD 2006 Conference, September 5-8, 2006, Utrecht aan Zee
Schröder G., Schlünzen K. H.
- (2006): Numerical Dispersion of Gravity Waves, EGU conference, April 2-7 2006, Vienna
Schröder G., Schlünzen, K.H., Bohnenstengel S.
- (2006): Use of (weighted) essentially non-oscillating advection schemes in the mesoscale model. Quarterly Journal Roy. Met. Soc. 132, 1509-1526
Schröder G., Schlünzen K.H., Schimmel F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/qj.2030) - (2007): Development and test of a multiple grids option in a mesoscale model", Dissertation
Schröder G.
- (2007): Einfluss von Aktualisierungsintervallen auf die Ergebnisse genesteter Simulationen. Beitrag A_00232, DACH-Meteorologentagung, Hamburg, 10.-14.09.2007
Bungert U., Schlünzen K. H.
- (2007): Impact of nesting methods on model performance. COST728-Workshop on Integrated Systems, Kopenhagen, 21.-23. Mai 2007
Bungert U., Schlünzen K. H.
- (2008): Einfluss der Nestung auf die Ergebnisse meteorologischer Modelle. Dissertation. Fachbereich Geowissenschaften, Universität Hamburg
Bungert U.
