行星非静力大气模拟(SNAP)：公式化、验证及其在木星大气中的应用
地球与行星天体物理
2019-02-20 v1 大气与海洋物理
摘要
我们开发了一个新的非静力且云分辨的大气模型，用于研究行星大气中的湿对流与云形成。该模型构建于 Athena++ 框架之上，利用其静态/自适应网格加密、并行化、曲线几何和动态任务调度。我们将原始流体动力学求解器扩展至蒸气、云和降水。微物理以通用形式表述，从而可应用于地球与木星类行星。除常规的 Roe 与 HLLC Riemann 求解器外，我们还实现了低马赫数近似 Riemann 求解器(LMARS)以模拟低速大气流动。结合五阶加权本质无振荡(WENO)亚网格重构方法，云等临界场的锐度得以良好保持，且无需额外的超黏性或空间滤波器来稳定模型。与许多大气模型不同，总能量被用作热力学方程的预报变量。使用总能量作为预报变量的一个显著优势是，能够恰当捕捉不可逆混合过程产生的熵产。该模型旨在为探索各种条件下的行星大气(包括类地与类木)提供统一框架。首先，我们进行了一系列地球大气标准数值测试，以展示新模型的性能与鲁棒性。其次，对辐射-对流平衡下理想化木星大气的模拟表明：1) 由于平均分子量的变化，温度梯度在水凝结高度附近为超绝热；2) 氨气体的平均剖面显示云下层的消耗可深达近 10 bar。我们讨论了其与近期 Juno 观测的关联。
引用
@article{arxiv.1901.02955,
title = {Simulating Non-hydrostatic atmospheres on Planets (SNAP): formulation, validation and application to the Jovian atmosphere},
author = {Cheng Li and Xi Chen},
journal= {arXiv preprint arXiv:1901.02955},
year = {2019}
}
备注
35 pagers, 11 figures, accepted to ApJS