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。3 ~& }/ r* _2 R! c% P3 B
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。. i8 u! Q+ h$ J1 N+ a% e
un(j,k)=0;uu=u(j,k);duu=du(j,k);if(wet(j,k)==1)/ N; Q" W3 _% H, d" A
if((wet(j,k+1)==1)||(duu>0))2 x ]/ L" R! ~1 w1 X, m Q y
un(j,k)=uu+duu;& d) l* A! D) q* i- B: p
endelse6 y" ~8 F9 X' K M% j9 p
if((wet(j,k+1)==1)&&(duu<0))/ p N" O/ y, ~1 K
un(j,k)=uu+duu;' z' n; n) o# V/ c
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。
) E- ?, k" j- n+ T 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。 ' m$ ~5 n8 s7 W) G! k* F4 X! v: V
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:N
' u% h. h$ J3 B, K$ |8 z* H h(k)=hzero(k) + eta(k);7 o; l: m9 S" z% N6 g
wet(k)=1;
. W; J$ Y( w( i6 e e if(h(k)<hmin)" ^: ^; U' R+ L
wet(k)=0;
: _* z5 \% d" p- T9 r end
" U5 @# w. t& M$ [2 G4 F+ X 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. & n, p ^, \+ J, f
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