Efficient numerical methods for wave-action transport and scattering

波作用输运和散射的高效数值方法

基本信息

  • 批准号:
    EP/W007436/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 7.88万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2022 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Waves propagating in the atmosphere and ocean need to be represented in the numerical models used for weather and climate prediction in order to capture the strong impact they have on the atmospheric and oceanic circulation, on the state of the sea surface, and on the transport of pollutants. This cannot be achieved directly, however, because the typical wavelengths are much shorter than the grid scales of even the highest resolution numerical models. A reduced mathematical model that averages over the short wavelengths offers a solution but poses a major computational challenge. It describes the distribution of wave-action density in an extended position-wavenumber phase space; hence, it requires solving a partial differential equation in up to 6 space-like dimensions. This is beyond the reach of traditional discretisation methods. This project aims at demonstrating the feasibility of an alternative approach, based on a dynamical low-rank approximation of the wave-action density. This approach expands the wave action as a sum of products of functions of a few variables, constructed on-the-fly to project the dynamics onto the space of low-rank functions while minimising an error. The project will formulate an algorithm based on low-rank approximation and splitting, implement two versions that use different combinations of grid-based and spectral discretisations, and test them against a ray-tracing algorithm (specifically designed to capture the dynamics of a few wavepackets) and against direct numerical simulations of the underlying fluid equations. The formulation and implementation will emphasise parallelisation and efficiency on supercomputers, with testing carried out on ARCHER2. The project primarily targets the modelling of internal waves, with a focus on the representation of their scattering by turbulence and of nonlinear wave-wave interactions. Applications to ocean surface waves will also be considered.
在大气和海洋中传播的波浪需要在用于天气和气候预测的数值模式中表现出来,以便捕捉它们对大气和海洋环流、海面状况以及污染物输送的强烈影响。然而,这不能直接实现,因为典型的波长比即使是最高分辨率数值模型的网格尺度短得多。一个简化的数学模型,在短波长的平均提供了一个解决方案,但提出了一个主要的计算挑战。描述了波作用密度在扩展的位置-波数相空间中的分布;因此,它需要在多达6个类空间维度上求解偏微分方程。这是传统的离散化方法无法达到的。该项目旨在展示一种基于波作用密度的动态低秩近似的替代方法的可行性。这种方法将波动作用扩展为几个变量函数的乘积和,实时构建以将动态投影到低秩函数的空间中,同时最小化误差。该项目将制定一种基于低秩近似和分裂的算法,实现两个版本,使用基于网格和光谱离散的不同组合,并针对光线追踪算法(专门用于捕获几个波包的动态)和底层流体方程的直接数值模拟进行测试。该方案的制定和实施将强调超级计算机的并行化和效率,并在ARCHER2上进行了测试。该项目主要针对内波的建模,重点是湍流散射和非线性波-波相互作用的表示。还将考虑对海洋表面波的应用。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Computing Lagrangian means
计算拉格朗日均值
  • DOI:
    10.1017/jfm.2023.228
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Kafiabad H
  • 通讯作者:
    Kafiabad H
Inertia-gravity-wave diffusion by geostrophic turbulence: the impact of flow time dependence
地转湍流引起的惯性重力波扩散:流动时间依赖性的影响
  • DOI:
    10.1017/jfm.2023.83
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Cox M
  • 通讯作者:
    Cox M
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Jacques Vanneste其他文献

Inhomogeneity-induced wavenumber diffusion
不均匀性引起的波数扩散
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Michael R. Cox;H. A. Kafiabad;Jacques Vanneste
  • 通讯作者:
    Jacques Vanneste
On wave action and phase in the non–canonical Hamiltonian formulation
关于非正则哈密顿公式中的波作用和相位
Scattering of surface waves by ocean currents: the U2H map
洋流对表面波的散射:U2H 地图
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Han Wang;Ana B. Villas Boas;Jacques Vanneste;William R. Young
  • 通讯作者:
    William R. Young
The exponential Lagrangian mean
指数拉格朗日平均值
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Abhijeet Minz;Lois E. Baker;H. A. Kafiabad;Jacques Vanneste
  • 通讯作者:
    Jacques Vanneste

Jacques Vanneste的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Jacques Vanneste', 18)}}的其他基金

NSFGEO-NERC Scattering of ocean surface gravity waves by submesoscale turbulence
NSFGEO-NERC 亚尺度湍流对海洋表面重力波的散射
  • 批准号:
    NE/W002876/1
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Research Grant
NSFGEO-NERC: Stimulated Loss of Balance
NSFGEO-NERC:刺激失去平衡
  • 批准号:
    NE/R006652/1
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Research Grant
High-resolution modelling of near-inertial waves in the ocean
海洋中近惯性波的高分辨率建模
  • 批准号:
    NE/J022012/1
  • 财政年份:
    2012
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Research Grant
Passive scalars in complex fluid flows: variability and extreme events
复杂流体流动中的被动标量:变异性和极端事件
  • 批准号:
    EP/I028072/1
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Research Grant
Network: Wave-flow interactions
网络:波流相互作用
  • 批准号:
    EP/F029306/1
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Research Grant
Generation of unbalanced motion at horizontal boundaries in the atmosphere and the oceans
在大气和海洋的水平边界处产生不平衡运动
  • 批准号:
    NE/F002807/1
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Research Grant

相似国自然基金

超声行波微流体驱动机理的试验研究
  • 批准号:
    51075243
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    39.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
关于图像处理模型的目标函数构造及其数值方法研究
  • 批准号:
    11071228
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    32.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
非管井集水建筑物取水机理的物理模拟及计算模型研究
  • 批准号:
    40972154
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    41.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
孔隙介质中化学渗流溶解面非稳定性的理论分析与数值模拟实验研究
  • 批准号:
    10872219
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    35.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Robust and Efficient Numerical Methods for Wave Equations in the Time Domain: Nonlinear and Multiscale Problems
时域波动方程的鲁棒高效数值方法:非线性和多尺度问题
  • 批准号:
    2309687
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Efficient and well-balanced numerical methods for nonhydrostatic three-dimensional shallow flows with moving beds and boundaries
具有移动床和边界的非静水三维浅流的高效且平衡的数值方法
  • 批准号:
    RGPAS-2020-00102
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Accelerator Supplements
Efficient and well-balanced numerical methods for nonhydrostatic three-dimensional shallow flows with moving beds and boundaries
具有移动床和边界的非静水三维浅流的高效且平衡的数值方法
  • 批准号:
    RGPIN-2020-06278
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Accurate and Efficient Computational Methods for the Numerical Solution of High-Dimensional Partial Differential Equations in Computational Finance
计算金融中高维偏微分方程数值解的准确高效计算方法
  • 批准号:
    569181-2022
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Postgraduate Scholarships - Doctoral
Efficient and well-balanced numerical methods for nonhydrostatic three-dimensional shallow flows with moving beds and boundaries
具有移动床和边界的非静水三维浅流的高效且平衡的数值方法
  • 批准号:
    RGPIN-2020-06278
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Efficient and well-balanced numerical methods for nonhydrostatic three-dimensional shallow flows with moving beds and boundaries
具有移动床和边界的非静水三维浅流的高效且平衡的数值方法
  • 批准号:
    RGPAS-2020-00102
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Accelerator Supplements
Robust and Efficient Numerical Methods for Matrix Problems with Singularity
奇异性矩阵问题的鲁棒高效数值方法
  • 批准号:
    20K14356
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Robust and Efficient Numerical Methods for Electromagnetic Wave Propagation in Complex Media
复杂介质中电磁波传播的鲁棒高效数值方法
  • 批准号:
    2011943
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Efficient, Accurate, and Structure-Preserving Numerical Methods for Phase Fields-Type Models with Applications
合作研究:高效、准确、结构保持的相场型模型数值方法及其应用
  • 批准号:
    2012269
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Efficient Numerical Solution for Constrained Tensor Ring Decomposition: A Theoretical Convergence Analysis and Applications
约束张量环分解的高效数值解:理论收敛性分析及应用
  • 批准号:
    20K19749
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 7.88万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了