关于粒子尺寸谱的数值展宽：基于PyMPDATA的凝并增长研究
计算物理
2022-01-14 v4 大气与海洋物理
流体动力学
摘要
本工作讨论在诸如大气云等颗粒系统中表示扩散（凝并）增长的数值方面。聚焦于欧拉建模方法，其中粒子尺寸谱的演化通过具有固有数值扩散的固定分箱离散化进行。重点在于MPDATA数值格式的应用（探索的变体包括：无限规范、非振荡、三阶项及递归反扩散修正）。阐述了处理与粒径分布变量选择及数值网格布局相关的坐标变换的方法论。采用以下方式对该格式性能进行分析：（i）解析可解的箱模型测试用例，以及（ii）单列“KiD”测试用例，其中由凝结引起的谱平流与垂直物理坐标中的空间平流同时求解，且过饱和度演化通过水质量收支与液滴增长耦合。该单列问题涉及二维平流问题（谱维与空间维）的数值求解。箱模型模拟表明，对所考虑的问题，即便保持相同空间与时间分辨率，通过恰当选择MPDATA变体亦可获得多达十倍的伪数值谱展宽的减小，但计算代价增加。利用单列测试用例的分析揭示，液滴尺寸谱的宽度受空间与谱平流相关的数值扩散影响。即便单次MPDATA修正迭代的应用也稳健地降低了液滴谱的相对离散度，在最大液态水含量层级上约降低为原来的二分之一。
引用
@article{arxiv.2011.14726,
title = {On numerical broadening of particle size spectra: a condensational growth study using PyMPDATA},
author = {Michael Olesik and Jakub Banaśkiewicz and Piotr Bartman and Manuel Baumgartner and Simon Unterstrasser and Sylwester Arabas},
journal= {arXiv preprint arXiv:2011.14726},
year = {2022}
}