Published October 7, 2015
| Version v1
Publication
Open
DYNAMICO-1.0, an icosahedral hydrostatic dynamical core designed for consistency and versatility
Creators
- 1. Laboratoire de Météorologie Dynamique
- 2. École Polytechnique
- 3. Indian Institute of Technology Delhi
- 4. IBM Research - India
- 5. Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement
- 6. Atomic Energy and Alternative Energies Commission
- 7. French National Centre for Scientific Research
- 8. Sorbonne Université
Description
Abstract. The design of the icosahedral dynamical core DYNAMICO is presented. DYNAMICO solves the multi-layer rotating shallow-water equations, a compressible variant of the same equivalent to a discretization of the hydrostatic primitive equations in a Lagrangian vertical coordinate, and the primitive equations in a hybrid mass-based vertical coordinate. The common Hamiltonian structure of these sets of equations is exploited to formulate energy-conserving spatial discretizations in a unified way. The horizontal mesh is a quasi-uniform icosahedral C-grid obtained by subdivision of a regular icosahedron. Control volumes for mass, tracers and entropy/potential temperature are the hexagonal cells of the Voronoi mesh to avoid the fast numerical modes of the triangular C-grid. The horizontal discretization is that of Ringler et al. (2010), whose discrete quasi-Hamiltonian structure is identified. The prognostic variables are arranged vertically on a Lorenz grid with all thermodynamical variables collocated with mass. The vertical discretization is obtained from the three-dimensional Hamiltonian formulation. Tracers are transported using a second-order finite-volume scheme with slope limiting for positivity. Explicit Runge–Kutta time integration is used for dynamics, and forward-in-time integration with horizontal/vertical splitting is used for tracers. Most of the model code is common to the three sets of equations solved, making it easier to develop and validate each piece of the model separately. Representative three-dimensional test cases are run and analyzed, showing correctness of the model. The design permits to consider several extensions in the near future, from higher-order transport to more general dynamics, especially deep-atmosphere and non-hydrostatic equations.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الملخص. يتم عرض تصميم النواة الديناميكية ذات السطوح العريضة DYNAMICO. تحل DYNAMICO معادلات المياه الضحلة الدوارة متعددة الطبقات، وهي متغير قابل للانضغاط من نفس المكافئ لتقطيع المعادلات البدائية الهيدروستاتيكية في إحداثي لاغرانج الرأسي، والمعادلات البدائية في إحداثي عمودي هجين قائم على الكتلة. يتم استغلال البنية الهاميلتونية المشتركة لهذه المجموعات من المعادلات لصياغة التمييز المكاني الذي يحافظ على الطاقة بطريقة موحدة. الشبكة الأفقية عبارة عن شبكة C شبه موحدة ذات وجهين عشريين يتم الحصول عليها عن طريق التقسيم الفرعي لعظمين عشريين منتظمين. أحجام التحكم للكتلة والمتتبعين والإنتروبيا/درجة الحرارة المحتملة هي الخلايا السداسية لشبكة فورونوي لتجنب الأنماط العددية السريعة للشبكة C المثلثة. التقطيع الأفقي هو من رينغلر وآخرون. (2010)، الذي تم تحديد هيكله شبه هاميلتون المنفصل. يتم ترتيب المتغيرات التنبؤية رأسيًا على شبكة لورينز مع تجميع جميع المتغيرات الديناميكية الحرارية مع الكتلة. يتم الحصول على التقطيع الرأسي من صيغة هاميلتون ثلاثية الأبعاد. يتم نقل المتتبعين باستخدام مخطط من الدرجة الثانية للحجم المحدود مع تحديد الميل للإيجابية. يتم استخدام تكامل وقت Runge - Kutta الصريح للديناميكيات، ويتم استخدام التكامل الأمامي في الوقت المناسب مع التقسيم الأفقي/الرأسي للمتتبعين. معظم التعليمات البرمجية للنموذج شائعة في المجموعات الثلاث من المعادلات التي تم حلها، مما يسهل تطوير كل جزء من النموذج والتحقق من صحته بشكل منفصل. يتم تشغيل حالات الاختبار ثلاثية الأبعاد التمثيلية وتحليلها، مما يدل على صحة النموذج. يسمح التصميم بالنظر في العديد من الامتدادات في المستقبل القريب، من النقل العالي إلى الديناميكيات الأكثر عمومية، وخاصة معادلات الغلاف الجوي العميق والمعادلات غير الهيدروستاتيكية.Translated Description (French)
Résumé. La conception du noyau dynamique icosaédrique DYNAMICO est présentée. DYNAMICO résout les équations en eau peu profonde rotatives multicouches, une variante compressible du même équivalent à une discrétisation des équations primitives hydrostatiques dans une coordonnée verticale lagrangienne, et les équations primitives dans une coordonnée verticale hybride basée sur la masse. La structure hamiltonienne commune de ces ensembles d'équations est exploitée pour formuler des discrétisations spatiales économes en énergie de manière unifiée. Le maillage horizontal est une grille en C icosaédrique quasi-uniforme obtenue par subdivision d'un icosaèdre régulier. Les volumes de contrôle de la masse, des traceurs et de l'entropie/température potentielle sont les cellules hexagonales du maillage Voronoi pour éviter les modes numériques rapides de la grille C triangulaire. La discrétisation horizontale est celle de Ringler et al. (2010), dont la structure quasi hamiltonienne discrète est identifiée. Les variables pronostiques sont disposées verticalement sur une grille de Lorenz avec toutes les variables thermodynamiques co-localisées avec la masse. La discrétisation verticale est obtenue à partir de la formulation hamiltonienne tridimensionnelle. Les traceurs sont transportés à l'aide d'un schéma de volume fini de deuxième ordre avec une limitation de la pente pour la positivité. L'intégration temporelle explicite de Runge–Kutta est utilisée pour la dynamique, et l'intégration avant dans le temps avec la division horizontale/verticale est utilisée pour les traceurs. La majeure partie du code du modèle est commune aux trois ensembles d'équations résolus, ce qui facilite le développement et la validation de chaque élément du modèle séparément. Des cas de test tridimensionnels représentatifs sont exécutés et analysés, montrant l'exactitude du modèle. La conception permet d'envisager plusieurs extensions dans un proche avenir, du transport d'ordre supérieur à la dynamique plus générale, en particulier les équations de l'atmosphère profonde et non hydrostatiques.Translated Description (Spanish)
Resumen Se presenta el diseño del núcleo dinámico icosaédrico DYNAMICO. DYNAMICO resuelve las ecuaciones de rotación multicapa en aguas someras, una variante compresible de la misma equivalente a una discretización de las ecuaciones primitivas hidrostáticas en una coordenada vertical lagrangiana y las ecuaciones primitivas en una coordenada vertical híbrida basada en masas. La estructura hamiltoniana común de estos conjuntos de ecuaciones se explota para formular discretizaciones espaciales que conserven energía de manera unificada. La malla horizontal es una rejilla C icosaédrica cuasi-uniforme obtenida por subdivisión de un icosaedro regular. Los volúmenes de control de masa, trazadores y entropía/temperatura potencial son las celdas hexagonales de la malla Voronoi para evitar los modos numéricos rápidos de la rejilla C triangular. La discretización horizontal es la de Ringler et al. (2010), cuya estructura discreta cuasi hamiltoniana se identifica. Las variables de pronóstico están dispuestas verticalmente en una cuadrícula de Lorenz con todas las variables termodinámicas colocadas con la masa. La discretización vertical se obtiene a partir de la formulación hamiltoniana tridimensional. Los trazadores se transportan utilizando un esquema de volumen finito de segundo orden con limitación de pendiente para la positividad. La integración explícita del tiempo Runge–Kutta se utiliza para la dinámica, y la integración hacia adelante en el tiempo con división horizontal/vertical se utiliza para los trazadores. La mayor parte del código del modelo es común a los tres conjuntos de ecuaciones resueltas, lo que facilita el desarrollo y la validación de cada pieza del modelo por separado. Se ejecutan y analizan casos de prueba tridimensionales representativos, que muestran la corrección del modelo. El diseño permite considerar varias extensiones en un futuro cercano, desde el transporte de orden superior hasta dinámicas más generales, especialmente ecuaciones de atmósfera profunda y no hidrostáticas.Files
gmd-8-3131-2015.pdf.pdf
Files
(1.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:a38a27eab9aa444b4be8635ede192267
|
1.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- DYNAMICO-1.0، قلب ديناميكي هيدروستاتيكي ذو وجهين مصمم للتناسق والتنوع
- Translated title (French)
- DYNAMICO-1.0, un noyau dynamique hydrostatique icosaédrique conçu pour la cohérence et la polyvalence
- Translated title (Spanish)
- DYNAMICO-1.0, un núcleo dinámico hidrostático icosaédrico diseñado para consistencia y versatilidad
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W1986352825
- DOI
- 10.5194/gmd-8-3131-2015
References
- https://openalex.org/W1492970048
- https://openalex.org/W1716828076
- https://openalex.org/W1871183312
- https://openalex.org/W1969251581
- https://openalex.org/W1969299137
- https://openalex.org/W1969718014
- https://openalex.org/W1970087274
- https://openalex.org/W1972466026
- https://openalex.org/W1973937451
- https://openalex.org/W1974404496
- https://openalex.org/W1976719990
- https://openalex.org/W1977998515
- https://openalex.org/W1979262063
- https://openalex.org/W1984656938
- https://openalex.org/W1988556748
- https://openalex.org/W1990419607
- https://openalex.org/W2000823247
- https://openalex.org/W2004170254
- https://openalex.org/W2008642300
- https://openalex.org/W2009700688
- https://openalex.org/W2016411152
- https://openalex.org/W2018966875
- https://openalex.org/W2033132560
- https://openalex.org/W2035908552
- https://openalex.org/W2038408857
- https://openalex.org/W2043134007
- https://openalex.org/W2044545175
- https://openalex.org/W2049957326
- https://openalex.org/W2051752778
- https://openalex.org/W2061053015
- https://openalex.org/W2065978712
- https://openalex.org/W2076690115
- https://openalex.org/W2079037278
- https://openalex.org/W2082424137
- https://openalex.org/W2083081976
- https://openalex.org/W2083659289
- https://openalex.org/W2084308561
- https://openalex.org/W2084814082
- https://openalex.org/W2094851523
- https://openalex.org/W2109620674
- https://openalex.org/W2110109398
- https://openalex.org/W2119280848
- https://openalex.org/W2132486635
- https://openalex.org/W2135339809
- https://openalex.org/W2146046435
- https://openalex.org/W2147262086
- https://openalex.org/W2147924375
- https://openalex.org/W2148963163
- https://openalex.org/W2150189380
- https://openalex.org/W2153386025
- https://openalex.org/W2155767151
- https://openalex.org/W2155785405
- https://openalex.org/W2157936753
- https://openalex.org/W2159991062
- https://openalex.org/W2162488560
- https://openalex.org/W2168530860
- https://openalex.org/W2168795429
- https://openalex.org/W2170795024
- https://openalex.org/W2172317270
- https://openalex.org/W2172750719
- https://openalex.org/W2175263283
- https://openalex.org/W2177339763
- https://openalex.org/W4242606190
- https://openalex.org/W4251865999