مقایسه حل عددی معادله فرارفت دوبعدی در هندسه کروی روی سه نوع شبکه یین-یَنگ

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 گروه فیزیک فضا، مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران- تهران- ایران

2 دانشیار

3 مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران

چکیده

لایه‌های مختلف کره زمین از جمله اقیانوس‌ها و جو دارای هندسه تقریباً کروی هستند و با توجه به پیچیدگی‌های موجود در شارش‌های جوی و اقیانوسی، استفاده از یک شبکه کروی مناسب برای حل عددی معادلات حاکم بر این شارش‌ها، ضروری است. شبکه یین-یَنگ، به‌عنوان یکی از انواع شبکه‌های کروی هم‌پوشان معرفی شده است. این شبکه، حاصل ترکیب دو شبکه به نام‌های یین و یَنگ، با یک سطح هم‌پوشانی می‌باشد که مقدار این هم‌پوشانی قابلیت تغییر دارد. در ادامه به برخی از مزایای این شبکه اشاره می‌شود. مؤلفه‌های تشکیل‌دهنده این شبکه، خود شبکه‌هایی متعامد بر اساس شبکه کروی متداول طول و عرض جغرافیایی می‌باشند. این شبکه فاقد نقطه تکینه است و فاصله‌بندی شبکه‌ای آن به‌طور شبه‌یکنواخت طراحی شده است.
نقطه ضعف اصلی شبکه یین-یَنگ ضرورت استفاده از روش‌های درون‌یابی برای نقاط مرزی مؤلفه‌های شبکه‌ای تشکیل‌دهنده آن است. انواع مختلفی از شبکه‌های یین-یَنگ، ارائه شده‌اند. سه شکل از انواع این شبکه، به نام‌های شبکه مستطیلی (پایه)، پیراسته و پیراسته با مؤلفه‌های یکسان در کار حاضر مورد مقایسه قرار می‌گیرند. لازم به ذکر است که شبکه یین-یَنگ پیراسته با مؤلفه‌های یکسان برای اولین بار در کار حاضر معرفی می‌شود. در این پژوهش، معادله فرارفت دوبعدی در هندسه کروی با استفاده از روش مرتبه دوم مرکزی برای گسسته‌سازی مکانی و روش مرتبه چهارم رونگِ-کوتا برای پیمایش زمانی روی این سه شبکه یین-یَنگ به‌طور عددی حل شده است. به‌علاوه، از یک آزمون موردی استاندارد شناخته-شده برای حل معادله فرارفت دوبعدی در هندسه کروی استفاده شده است.
نتایج حاصل نشان می‌دهند که استفاده از شبکه یین-یَنگ برای حل این معادله در کاهش هزینه محاسباتی بسیار مؤثر بوده است. اما استفاده از شبکه پیراسته و شبکه مستطیلی، دارای هزینه محاسباتی کمتری نسبت به شبکه پیراسته با مؤلفه‌های یکسان می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of numerical solution of the spherical two-dimensional advection equation using three types of Yin–Yang grid

نویسندگان [English]

  • Rasoul Mirzaei Shiri 1
  • Alireza Mohebalhojeh 3
1 Space physics department, Geophysics Institute, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Institute of Geophysics, University of Tehran
چکیده [English]

Due to the approximately spherical nature of the earth and the complex nature of atmospheric and oceanic flows, numerical solution of corresponding governing equations requires using an appropriate coordinate system on the spherical geometry. All spherical grids defined for the spherical surface or shell generally have their own advantages and disadvantages. The Yin–Yang grid belongs to the family of overset grids. This coordinate is composed of two grid components named Yin and Yang with partial overlapping at their boundaries. Some advantages of the Yin–Yang grids are as follows:
1- Yin and Yang grid components are both orthogonal and based on the conventional latitude–longitude grid;
2- The singular points are absent;
3- The metric factors of the both grid components are analytically known;
4- The grid lengths are uniform approximately;
5- It requires less grid points than for the conventional latitude–longitude grid; and
6- We can adapt the existing latitude–longitude discretizations and codes for the use with the Yin–Yang grids.
In this research, three types of the Yin–Yang grid are compared: the rectangular (basic), modified and modified with identical components. It is worth noting that the Yin–Ying grid with identical components is introduced for the first time in the present work. The central second-order finite difference scheme is applied to solve the two-dimensional advection equation on three types of Yin–Yang grid for a well-known test case. In addition, the fourth-order Runge–Kutta method is used to advance the governing equition in time.
Results show that using the Yin–Ying grids to solve the advection equation is highly effective in reducing the computational cost compared to the conventional latitude–longitude grid. However, the use of rectangular and modified Yin–Yang grids entails a lower computational cost than the modified Yin–Yang grid with identical components. In addition, global errors are computed using the absolute, square and infinite norms. By calculating the errors using these norms, it can be seen that there is a slight increase in the errors in all three grids compared to the conventional latitude–longitude grid.
Another point to note is a little higher accuracy of modified Yin–Yang grid with identical components relative to rectangular and modified Yin–Yang grids in the same resolution. Though, the higher accuracy is associated with a relative increase in computational cost.
In the considered algorithm, reducing the accuracy in using Yin-Yang grids is likely due to interpolation. However, interpolation is an essential part of numerical solving process for various oceanic and atmospheric equations on Yin-Yang grids in spherical geometry.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Yin-Yang grid
  • spherical coordinates
  • Runge-Kutta
  • two-dimensional advection equation