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。

我们使用前一年开发的数值模型，在各种条件设置下进行了评估和验证。去年，除了气溶胶分布函数外，超级水滴方法的初始化还需要一个用于采样超级水滴状态的概率分布，我们讨论了应用最优输运理论生成的方法提出了这个概率分布。但由于计算时使用的算法包含正则化，导致概率分布尾部的精度存在问题。因此，我们通过切换到可以保证尾部准确性的不同算法来提高准确性。在对孤立巨积云的数值实验中，我们通过改变所开发的初始化方法的参数进行了参数扫描，发现使用超级水滴方法观察到的云微物理特性的较大空间变化得到了抑制。确认获得了效果。为了抑制超级水滴密度的波动，平流超级水滴时采用的插值方法要求超级水滴位置的散度与晶格场的散度一致。然而，迄今为止使用的插值方法至多具有一阶精度，并且网格内涡流引起的传输被忽略。当使用考虑涡流影响的二阶精度插值方法将粒子的初始位置作为标记进行跟踪时，使用一阶精度插值方法时由于数值效应而观察到的阶梯状图案为表明它被压制了。对bulk方法和bin方法进行更详细的速度比较后发现，超级水滴方法的相对优势是示踪平流计算复杂度较低、紧凑性以及浮点数表示精度较低。这是我发现的。。利用半精度浮点数，采用超水滴法对Purcell模型进行数值实验，研究数值误差对粒径分布的影响。结果，他们得出的结论是，很难轻易地使用它。我们提交了一篇论文，将上述发现添加到前一年开发的数值模型的设计细节中。