KNAW

Onderzoek

Hamiltonian-based numerical methods for forced-dissipative climate prediction

Pagina-navigatie:


Wijzig Onderzoekgegevens


Titel Hamiltonian-based numerical methods for forced-dissipative climate prediction
Looptijd 10 / 2006 - 10 / 2010
Status Lopend
Onderzoeknummer OND1325771
Leverancier gegevens Projectleider

Samenvatting

De vlinder van Lorenz en de wijze waarop zijn vleugelslag het weer kan veranderen is een bekende metafoor voor de beschrijving van chaos in ons weer. Minder bekend is dat Lorenz een voorvechter was van numerieke weermethoden die behoudswetten respecteren al dan niet in de vrije, wrijvingsloze atmosfeer, dus in de limiet zonder aandrijving en dissipatie. Hamiltoniaanse systemen beschrijven bij uitstek de wiskundige structuur van de vrije atmosfeer, en alzo niet alleen de bijbehorende behoudswetten maar ook de structuur van de faseruimte. Recentelijk zijn de atmosferische vergelijkingen gediscretiseerd en op de computer gezet met behoud van die Hamiltoniaanse structuur. Dit voorstel gaat bekijken of numerieke methoden met zo'n Hamiltoniaanse basis beter zijn als klimaatvoorspellers dan traditionele methoden, dus ook nadat we de noodzakelijke wrijvings- en aandrijvingsmechanismen toevoegen. Er zijn indicaties dat dat inderdaad zo is op basis van numerieke integraties van lage-orde modellen. Het lijkt er dus mogelijk op dat de klimaattoestand(en) in welke nabijheid ons systeem zich bevindt of gaat bevinden minder worden vervuild door numerieke dissipatie in methoden met een ferme basis in Hamiltoniaanse technieken, omdat deze de structuur van de eigenlijke faseruimte beter respecteren, dan in de traditionele methoden. Om terug te komen op de vlindermetafoor van Lorenz: we gaan numerieke methoden onderzoeken die de vlinder niet meteen doodmeppen of het effect van zijn vleugelslag teveel dempen. Uiteraard gaan we dit onderzoek methodologisch verantwoord verrichten: we beginnen bij lage-orde systemen om uiteindelijk op simulaties van gelaagde atmosfeersystemen in onze aardbolgeometrie uit te komen.

Samenvatting (EN)

The advective and thermodynamic nonlinearities of atmospheric and oceanographic climate models remain present in the conservative limit, that is, in the absence of forcing and frictional mechanisms such as solar heating, radiation and viscosity. Most ?good? numerical climate models conserve some of the conservation laws, such as mass and energy, which characterise the system in this conservative limit. In contrast, the Hamiltonian particle mesh numerical method not only preserves most of the conservation laws, but also the Hamiltonian phase-space structure which the system carries in the conservative limit. It is generally considered desirable to preserve conservation laws in the numerical discretization in the frictionless and forcing-free limit. In accordance with this belief and based on promising symplectic integrations of weakly dissipative low-order models, we hypothesize that preservation of the limiting Hamiltonian structure provides superior climate predictions. Hence, the objective of the research proposed is to assess how important the numerical preservation of the limiting Hamiltonian structure actually is in (idealized) climate models in which climatological forcing and dissipation mechanisms are present. This main objective is investigated in three ways: 1.The difference in performance between Hamiltonian and non-Hamiltonian based numerical discretizations will first be investigated for low-order models. 2.Symplectic Hamiltonian particle mesh methods with many degrees of freedom will be constructed for hydrostatic stratified models on the sphere using isentropic or mixed vertical and isentropic coordinates. 3.The performance of the Hamiltonian particle mesh models will be tested by simulating one of the two following atmospheric applications: the dynamics of stratospheric chemical species such as ozone; and the coupling between the troposphere and the stratosphere for the benchmark calculation proposed by Held and Suarez.

Betrokken organisaties

Betrokken personen

Onderzoeker Prof.dr.ir. J.E. Frank
Onderzoeker B.W.I. Peeters (MSc.)
Projectleider Dr.ir. O. Bokhove

Bovenliggende onderzoeksactiviteit(en)

Classificatie

A11000 Lucht
D11500 Meetkunde, topologie
D15500 Atmosfeer wetenschappen

Omhoog
Ga terug naar de inhoud
Ga terug naar de site navigatie