|
二维浅水模式 上文讨论了浅水方程在一维情况下的求解，本文探讨浅水方程在二维情况下的求解，并考虑加上底摩擦和风应力的情况。 首先考虑最简单的二维浅水方程，形式如下。 还是同样的过程，对其做离散化，得到下式。 上文提到，为了方便实现中央差分来取得二阶精度，选择了交错网格，使得 和总是相差半个网格距离。在二维的情况，速度是和两个变量，因此我们需要考虑速度 放在网格的哪个位置。从上式的第二个式子可以看出，式子右边是 对的导数，因此为了让对的中央差分落在和同样的位置上，也需要和间隔半个网格距。这就是大名鼎鼎的Arakawa C网格。在使用交错网格的时候，我们要明确一个准则，就是要确保计算时各个变量都要在相同的空间位置上。比如要算在t+1时刻的值，就需要两侧的做中央差分，这样确保等号左边的和等号右边的导数是相同的空间位置。这一点在之后讲解更复杂的模式中会体现的更明显。例如POM模式，会有更多的参变量，为了保证处于同一空间位置上需要做平均运算。而本文的后半部分，在考虑底摩擦的浅水方程中也涉及到了。' K- \3 U8 S1 G( k
使用了Arakawa C网格后，可以神奇的发现，在这种情况下，只需要讨论两个边界的速度即可，如下图所示。考虑到 是水平方向的流速，而东边界（图中右边）的是在陆地边界上，所以要使时变为0，不能让水质点穿出边界，而或者时则不需要给予约束，这样就不用考虑西边界，因为西边界没有的格点。对北边界的处理方式一样，在此不做赘述。
. L( Y7 o& j* g2 D) hun(j,k)=0;uu=u(j,k);duu=du(j,k);if(wet(j,k)==1)
" e' |: o; M5 d7 a6 `; K+ z if((wet(j,k+1)==1)||(duu>0))5 \3 w r. p( o1 q9 {7 L" E- E
un(j,k)=uu+duu;% w: K) Y4 I: K# J& Z' t
endelse4 P" L$ W2 T4 j' ]! H! n% _! F
if((wet(j,k+1)==1)&&(duu<0))
1 c4 d* E9 p# R( G# } Z) H; p un(j,k)=uu+duu;
C/ F [2 x) Z- a+ l endend 对 求解的代码实现过程如上，其中if就是在判断边界和速度方向，把不在边界和在边界但是不大于0的值赋计算结果，使得在边界且大于0的点赋为0。的计算和 的计算同理。
7 j% |$ P1 r' i2 P% g 接下来，开始考虑更复杂的形式，引入风应力和底摩擦。方程组的形式立马变得更加复杂起来。 底摩擦和风应力这两项由上式可以看出，是相减的关系，因此可以在计算时，分别看成两项来对待。如果只考虑底摩擦，不考虑其他项的话，方程是如下形式。 对其进行半隐式差分得到如下形式。显式差分应用于底摩擦会出现数值稳定性问题。 考虑完了底摩擦，还需要考虑风应力问题。在原方程去掉底摩擦项后再进行差分得到下式，其中下标j和k分别代表x和y方向。 将其求完后回代到推的底摩擦差分方程中即可。 为了表达式清晰简洁，引入了 和 ，具体表达式如下。
% V* ^- K: R$ R' e+ ` 值得注意的是，上式中出现了 和这种变量。这就是前文已经提到的那个问题，Arakawa C网格的和在网格的不同位置处，但是做运算只能在相同网格处。因此 的意思是v网格所在位置的速度 ，而的意思是u网格所在位置的速度。以为例，如下图所示，可由周围的四个平均求得。u_v = 0.25*(v(j+1,k)+v(j,k)+v(j,k-1)+v(j+1,k-1)) 这样就实现了二维考虑底摩擦和风应力的浅水方程求解。之前说过，干网格和湿网格分别对应网格中的陆地和水，我们在计算时只需要计算流体部分，而不计算陆地的部分。之前我们提到的案例中，陆地边界都在网格的四周。倘若需要模拟的场景是大洋中的一个小岛，即陆地出现在网格内部时，会有什么不同？倘若大洋中的小岛海拔高度有限，在模拟台风时，小岛被水淹没时，干网格和湿网格该怎么转换？当考虑了干湿网格的转换之后，一个具备基本功能的浅水模式就完成了。 以一维的情况为例，从图中可以看出来，这个扰动显然会在某些时刻漫过这个岛屿。为了解决这个问题，我们只需要在每轮时间步迭代的最后，加上干湿网格的更新即可。需要定义一个比较小的hmin，意思是当陆地上的积水高度超过hmin就意味着被淹没，下次计算时就把这个网格点当做水面，即把wet(k)这一点赋值为1。 for k=1:N8 W$ C: [" m7 `7 o
h(k)=hzero(k) + eta(k);( J. v5 e# {( `# N$ x! {; R2 h& o
wet(k)=1;
( |- s* v# h$ }( L: I2 x7 U; J$ A if(h(k)<hmin)+ \5 b+ E$ W0 w; b3 o' v
wet(k)=0;7 D8 p, u) P3 a' c: u2 O
end
: H4 y. k3 ?: P% H u(k)=un(k);end 版权声明 本文创作的初衷是用于帮助数值模式的学习者。欢迎转载，转载请私信并注明作者和出处，请勿用于任何商业用途。 参考书目Ocean Modelling for Beginners. Jochen Kämpf. Springer Berlin Heidelberg, 2009. ( R1 ]6 n& n4 D" v) d6 e" H) t
| 
2 n& M; r4 j; d4 q& K* g
: h! c1 A" r! n, B ~) J" b7 y
7 _5 Z! r) l) d) x: |& d H/ r9 e
* W5 D" }4 W/ G
+ t! K+ a8 C1 [! L$ ]7 t4 t4 p
5 v, Z6 `) _- w' I) o9 w- B: E6 t
