非静力大气模式水平显式垂直隐式（HEVI）时间积分器的性能研究
数值分析
2023-11-21 v1 数值分析
摘要
我们对非静力全球大气应用典型球域上可压缩Euler方程的不同形式水平显式垂直隐式（HEVI）时间积分策略进行了深入研究。我们比较了两种非线性变体（NHEVI-GMRES与NHEVI-LU）和一种线性变体（LHEVI）的计算时间与复杂度。我们报告了这三种变体在若干二阶至五阶精度加性Runge-Kutta方法下的性能，并确认了各时间积分器HEVI方法预期的精度阶。为衡量每种HEVI方法的最大可用时间步，我们对非静力斜压不稳定运行了100天模拟，然后利用该时间步比较各方法的求解时间。结果表明，在测试的理想化案例中，NHEVI-LU比NHEVI-GMRES快2倍，LHEVI比NHEVI-LU快5倍。斜压不稳定与惯性重力波模拟表明，时间积分器的最优选择是采用二阶或三阶格式的LHEVI，因为两种格式在其最大可用时间步下给出相近的求解时间与相对L2误差。未来，我们将报道这些结果是否适用于更复杂的问题，例如使用真实大气数据和/或典型空间天气应用的高模式顶。
引用
@article{arxiv.2311.11425,
title = {A Performance Study of Horizontally Explicit Vertically Implicit (HEVI) Time-Integrators for Non-Hydrostatic Atmospheric Models},
author = {Francis X. Giraldo and Felipe Augusto Ventura de Braganca Alves and James F. Kelly and Soonpil Kang and P. Alex Reiencke},
journal= {arXiv preprint arXiv:2311.11425},
year = {2023}
}
备注
36 pages, 10 figures, 2 tables