雲微物理解像の雲全体計算に向けた先端的数値計算手法の開発

云粒子理解图像全云计算先进数值计算方法开发

基本信息

批准号：
20K14559
负责人：
松嶋俊樹
金额：
$ 2.41万
依托单位：
Kobe University (2022)Institute of Physical and Chemical Research (2020-2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までに開発した数値モデルを用いて、様々な条件設定での評価や検証を行った。前年度では、超水滴法の初期化には、エアロゾルの分布関数の他に、超水滴の状態のサンプリングに用いる確率分布が必要となるが、この確率分布の生成に最適輸送理論を応用する方法を提案した。しかし、計算に用いたアルゴリズムは正則化を含むものであったことで、確率分布のテールにおける精度には問題があった。そのため、テールでの精度を担保できる別のアルゴリズムに切り替えることで、精度を向上させた。孤立的な雄大積雲の数値実験において、開発した初期化方法のパラメータを変えたパラメータスイープを行ったところ、超水滴法を用いた場合に見られていた雲微物理特性の大きな空間変動を抑制する効果が得られることが確認できた。超水滴密度のゆらぎを抑制するため、超水滴を移流させる際に用いる補間法は、超水滴位置の発散が、格子場の発散と整合的であることが必要である。しかし、これまで用いられてきた補間法は高々一次精度であったことで、格子内の渦による輸送は無視されていた。渦の影響が加味される二次精度の補間法を用いて、粒子の初期位置をマーカーとして追跡したとき、一次精度の補間法を用いた場合に数値的影響によって見られた階段状のパターンが抑制されることを示した。バルク法とビン法との速度比較をより詳細に行ったところ、超水滴法の相対的な利点は、トレーサー移流の計算量の少なさ、コンパクトさ、浮動小数点数のより低精度な表現が可能という点にあることが分かった。半精度浮動小数点数を用いて、超水滴法によるパーセルモデルの数値実験を行い、数値誤差の粒径分布への影響を調べた。その結果、安直な利用は難しいと結論付けた。前年度に開発した数値モデルの設計の詳細に、以上の知見を加えて論文を投稿した。

使用到上一年开发的数值模型，在各种条件下进行了评估和验证。在上一年，除了气溶胶分布函数外，为了初始化Ultrawater Drop方法，还需要用于采样超流滴状态的概率分布。我们提出了一种应用最佳运输理论来产生此概率分布的方法。但是，由于计算中使用的算法包括正则化，因此概率分布尾部准确性存在问题。因此，通过切换到可以确保尾巴准确性的另一种算法来提高准确性。在一个分离的男性积云云的数值实验中，使用开发的初始化方法的不同参数进行了参数扫描，并证实，在使用超水方法时，抑制抑制云微物理特性的较大空间变化的效果。为了抑制超水量降水密度的波动，当超水量的对流对超水量的插值方法要求超水量滴位位置的差异与晶格场的差异一致。但是，到目前为止，使用的插值方法具有很高的一级准确性，并且在晶格中旋转的运输被忽略了。使用二级精度插值方法，其中考虑了涡旋的影响，我们表明，当将粒子的初始位置跟踪为标记时，使用主要的精度插值方法时，数值影响所见的阶梯状模式会被抑制。对批量和垃圾箱方法的速度进行了更详细的比较表明，超水量方法的相对优势是示踪剂对流，紧凑性的计算量较低，并且能够提供较低的浮点数的精度表示。使用半精度的浮点数，我们使用超水滴法在包裹模型上进行了数值实验，以研究数值误差对粒度分布的影响。结果，他们得出结论，很难以一种简单的方式使用它。我提交了上述知识的论文，添加了上一年开发的数值模型的设计细节。

项目成果

期刊论文数量（7）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Intra-cloud Microphysical Variability Obtained from Large-eddy Simulations using the Super-droplet Method

使用超级液滴法从大涡模拟中获得云内微物理变化

DOI：
10.1002/essoar.10508672.1
发表时间：
2021
期刊：
Earth and Space Science Open Archive
影响因子：
0
作者：
T. Matsushima;S. Nishizawa;S. Shima;W. Grabowski
通讯作者：
W. Grabowski

VRを用いた気象・気候シミュレーション空間の可視化

使用 VR 实现天气/气候模拟空间的可视化

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
松嶋俊樹，末木健太
通讯作者：
松嶋俊樹，末木健太

微速度撮影された雲の様子を観察してみよう：「京」コンピュータを使ったシミュレーション編１

让我们观察延时摄影中捕捉到的云：使用 K 计算机进行模拟 1

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

微速度撮影された雲の様子を観察してみよう：「京」コンピュータを使ったシミュレーション編２

让我们观察延时摄影中捕捉到的云：使用 K Computer 进行模拟 2

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Numerical model to enable ultra-high-resolution simulations of shallow clouds using the super-droplet method

使用超级液滴方法对浅层云进行超高分辨率模拟的数值模型

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Moulane Y.;Jehin E.;Rousselot P.;Manfroid J.;Shinnaka Y.;Pozuelos F. J.;Hutsem?kers D.;Opitom C.;Yang B.;Benkhaldoun Z.;泉拓磨;新中善晴;Toshiki Matsushima
通讯作者：
Toshiki Matsushima