DFG Schwerpunktprogramm 1276
Originator:
Dr. Michael Baldauf, Offenbach
Deutscher Wetterdienst (DWD)
Abteilung für Meteorologische Analyse und Modellierung
Dr. Andreas Dedner, Freiburg
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau
Mathematisches Institut
Abteilung für Angewandte Mathematik
Professor Dr. Dietmar Kröner, Freiburg
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau
Mathematisches Institut Abteilung für Angewandte Mathematik
Project:
Parallel adaptive Auflösung von Multiskalen-Phänomenen und transparente Randbedingungen für atmosphärische Strömungen
http://www.mathematik.uni-freiburg.de/IAM/homepages/slavko/project.php
Summary:
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung, Implementierung und Validierung eines konservativen Verfahrens höherer Ordnung auf unstrukturierten, lokal adaptierten Gittern für Parallelrechner, einschließlich dynamischer Lastverteilung. In enger Kooperation zwischen dem Deutschen Wetterdienst (DWD) in Offenbach und der Abteilung für Angewandte Mathematik (AAM) in Freiburg sollen zunächst die neuen Verfahren anhand von idealisierten meteorologischen Testproblemen validiert und dann auf realistische Wettervorhersagedaten angewendet werden. Die wichtigsten Schritte hin zur realistischen Simulation betreffen die Berücksichtigung der Orographie, der Wolkenphysik, des Multiskalen-Charakters des Problems (nationale Skala, europäische Skala etc.) und die Entwicklung transparenter Randbedingungen auf den künstlichen Rändern des Rechengebietes. Der Code soll auf der DUNE-Bibliothek aufbauen. Dies ist ein Programmpaket, welches in der Abteilung für Angewandte Mathematik der Universität Freiburg in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen in Deutschland entwickelt wird. Das neue Verfahren soll zuerst im Rahmen der DUNE-Umgebung entwickelt und getestet werden und später in das COSMO Modell beim Deutschen Wetterdienst eingebaut und mit den anderen Modulen zur Beschreibung der komplexen physikalischen Vorgänge für eine realistische Wettervorhersage kombiniert werden. Mit dem Experimentiersystem NUMEX am DWD können dann leicht die Stärken und Schwächen der Verfahren festgestellt und nötige Modifikationen an den Verfahren in Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern durchgeführt werden.
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Originator:
Professor Dr.-Ing. Christoph Egbers, Cottbus
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Institut für Verkehrstechnik
Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungslehre
Professor apl. Dr. habil. Uwe Harlander
Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Fakultät 3
Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungslehre, Cottbus
Project:
Referenzexperiment für Untersuchungen der Dynamik und Koexistenz von großräumigen und kleinskaligen Strömungsstrukturen am Beispiel barokliner und Schwerewellen
http://www.tu-cottbus.de/fakultaet3/de/aerodynamik-stroemungslehre/forschung/metstroem-spp.html
Summary:
Die thermisch getriebene Strömung in einem rotierenden Zylinderspalt (Barokliner Wellentank) dient als Referenzexperiment für das Schwerpunktprogramm (SPP) MetStröm. Dieses Experiment ist ein anerkanntes Modell für meteorologische Strömungen und ist als Referenzexperiment für den MetStröm Teilbereich „Große Skalen/Dynamik“
besonders geeignet, weil es sehr gut kontrollierbare Randbedingungen besitzt und bereits zahlreiche internationale Gruppen Untersuchungen im leicht überkritischen Wellenbereich mit diesem Modell durchgeführt haben.
Die im Referenzexperiment gemachten (Phase 1) und für die Zukunft geplanten Untersuchungen (Phase 2) gehen aber über die früher gemachten Arbeiten hinaus und beziehen sich auf die Charakterisierung bisher nur sehr wenig untersuchter koexistierender groß- und kleinräumiger Strukturen beim Übergang in die Turbulenz.
Im Rahmen der für Phase 2 geplanten Referenzexperimente konzentrieren wir uns auf simultane Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen mit dem Fokus auf kleinskalige Strukturen. Diese werden vornehmlich für weit überkritische Bereiche mit hohen Taylorzahlen beobachtet, in denen das Strömungsregime typischerweise eine Vielzahl koexistierender Skalen aufweist. Zur quantitativen Bestimmung der Strömungsfelder sind bewährte räumlich und zeitlich hochauflösende berührungsfreie Messverfahren (LDAund PIV-Messungen) vorgesehen. Gleichzeitig mit PIV- und LDAMessungen werden Temperaturfelder an der Oberfläche mit einer Infrarot-Kamera quantitativ bestimmt. In Phase 1 konnten wir bereits solche simultanen Messungen durchführen. Für Phase 2 wollen wir aber noch weiter in das irreguläre Regime vordringen. Dazu muss der bestehende Experimentaufbau mit einem Schleifring ausgestattet werden, der eine Co- Rotation der Kameras mit dem Zylinderspalt erlaubt.
Simultane Messungen von Geschwindigkeit und Temperatur erlauben es, punktuelle, zeitlich hoch aufgelöste LDA-Messungen dem „globalen Wellenfeld“ zuzuordnen. Auch lassen sich PIV-Messungen in radialeraxialer
Ebene durchführen, ohne den Bezug zum Wellenfeld zu verlieren. Dies ist zum einen wichtig für die Interpretation der Daten, zum anderen können Strukturen gefunden werden, die mit dem PIV-System allein nicht zu erfassen sind. Nicht zuletzt erhöhen simultane Messungen von Temperatur und Geschwindigkeit die Qualität der Benchmarkdaten für numerische Verfahren ganz erheblich.
Zur Auswertung der Daten und zur Charakterisierung der gemessenen Zustände werden Methoden der nichtlinearen Zeitreihenanalyse eingesetzt. Gemessene Felder werden mit bewährten Verfahren der Multivariaten Statistik analysiert. Etablierte Verfahren werden aber auch an die speziellen Gegebenheiten unseres Experiments angepasst, um z.B. die Zylindersymmetrie geeignet auszunutzen. Phase 1 hat gezeigt, dass solche Analysen nicht nur nützlich sind zum Aufbereiten der Daten, sondern auch neue Einblicke in die Dynamik bei Regimeübergängen erlauben. Für Phase 2 planen wir auch numerische Experimente an der BTU Cottbus, die in enger Kooperation mit numerischen Arbeitsgruppen aufgesetzt werden.
Solche Experimente sind wichtig, um Messungen, insbesondere von kleinskaligen Phänomenen, vor Ort zu unterstützen. Alle gewonnenen Messdaten und Ergebnisse werden den numerischen Arbeitsgruppen innerhalb des Schwerpunktprogramms als Benchmarkdaten zur Verfügung gestellt. Eine Internet Plattform zum Herunterladen der Daten ist bereits in Arbeit. Tabelle 1 zeigt bisherige und zukünftige Kooperationen innerhalb von MetStröm. Für Phase 3 planen wir, zusätzlich topographische Rossby- und Schwerewellen im Zylinderspalt anzuregen und deren Wechselwirkung mit den baroklinen Wellen experimentell zu untersuchen.
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Originator:
Dr. Almut Gaßmann, Hamburg
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Professor Dr. Rupert Klein, Berlin
Freie Universität Berlin
Fachbereich Mathematik und Informatik
Dr. Christiane Helzel, Bonn
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Institut für Angewandte Mathematik
Dr. Oswald Knoth, Leipzig
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V.
Privatdozent Dr. Jörg Wensch, Dresden
Technische Universität Dresden
Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften
Fachrichtung Mathematik
Project:
Modellierung und Approximation feuchter atmosphärischer Strömungen unter Berücksichtigung topographischer Effekte (funded in MetStroem-period I)
Summary:
Erhaltungseigenschaften wird in der Strömungsdynamik eine große Bedeutung zugemessen. Wenn feuchte Prozesse präsent sind, ergeben sich Diskontinuitäten an Phasengrenzen. Daher ist aus mathematischer Sicht die schwache Formulierung für Masse-, Impuls-, und Energieerhaltung die richtige Beschreibung. In der Meteorologischen Modellierung gibt es eine Vielzahl anderer Formulierungen, die einfachere Diskretisierungen erlauben und Unstetigkeiten auf verschiedene Weise berücksichtigen. In diesem Projekt stellen wir masse- und impulserhaltende Verfahren gegenüber, die sich in der Beschreibung der Thermodynamik unterscheiden. Wir betrachten und vergleichen zwei verschiedene Klassen von Finiten-Volumen-Verfahren: Wellenausbreitungsalgorithmen (bei denen die Flussberechnung auf der Lösung von lokalen Riemann-Problemen basiert) und Verfahren, die traditionell in der Numerischen Wettervorhersage (NWV) eingesetzt werden (bei denen die Flussberechnung komponentenweise durch Interpolationsverfahren vorgenommen wird). Um meteorologisch relevante Probleme betrachten zu können, sollte man in der Lage sein, Orographie, kleine Mach- und Froude-Zahien sowie steife Phasenumwandlungsprozesse im numerischen Verfahren darzustellen. Wir betrachten Diskretisierungen auf kartesischen Gittern unter Verwendung geschnittener Zellen.
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Originator:
Dr. Marco A. Giorgetta, Hamburg
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Dr. Peter Korn, Hamburg
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Professor Dr.-Ing. Sebastian Reich, Potsdam
Universität Potsdam
Institut für Mathematik
Project:
Angepasste Raum-Zeit-Regularisierungen für das Atmosphären- Zirkulationsmodell ICON (funded in MetStroem-period I/II)
Summary:
Wir schlagen vor, große Skalen der Turbulenz und skalenseparierte Phänomene globaler atmosphärischer Strömungen mittels konservativer Regularisierungsansätze zu behandeln. Es sollen speziell die durch Geschwindigkeits- und Druckfilterung implizierten Regularisierungen untersucht werden. Numerische Implementierungen werden auf dem ICONModel basieren und sollen sowohl uniforme als auch lokal-verfeinerte Gitter umfassen. Der Energieaustausch zwischen aufgelösten und nichtaufgelösten Freiheitsgraden soll durch nicht-Markovsche Dissipations- und Fluktuationsterme beschrieben werden. Die theoretischen Aspekte einer solchen Modellierung sollen durch den allgemeinen Modellreduktionsansatz von Mori und Zwanzig bereitgestellt werden. Wir betrachten damit einen mathematisch-vereinheitlichenden Zugang zur numerischen Behandlung von Fragestellungen aus den MetStröm
Themenbereichen A (“Skalenseparierte Phänomene”) und B (“Große Skalen der Turbulenz”). Methodisch liegt der Antrag im Bereich 1 (“Skalenabhängige Schließungsmodelle und mathematische Modellstruktur”).
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Originator:
Dr. Volker Grewe, Weßling
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Physik der Atmosphäre
Dynamik der Atmosphäre
Professor Dr. Robert Sausen
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Physik der Atmosphäre
Dynamik der Atmosphäre, Weßling
Professor Dr.-Ing. Sebastian Reich, Potsdam
Universität Potsdam
Institut für Mathematik
Professor Dr. Harry Yserentant, Berlin
Technische Universität Berlin
Institut für Mathematik
Fachgebiet Numerische Analysis partieller Differentialgleichungen
Project:
Entwicklung eines Lagrangeschen Kerns für Klimamodelle (funded in MetStroem-period I/II)
Summary:
Auf der Lagrangeschen Beschreibung von Strömungen basierende numerische Verfahren haben gegen über Eulerschen Verfahren den Vorteil der im Grundsatz nicht vorhandenen numerischen Diffusion. Sie erlauben relativ problemlos die Verfolgung sehr vieler unterschiedlicher, sich durchmischender chemischer Substanzen und Spurenstoffe. Diese
Eigenschaften machen sie für den Einsatz in komplexen Klimamodellen attraktiv. Langfristiges Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines dynamischen Lagrangeschen Kerns für solche Klimamodelle, der in optimaler Weise vorhandene passive Lagrangesche Advektionsverfahren ergänzt, die sich in der Vergangenheit bereits als sehr erfolgreich und
Eulerschen Verfahren in vielfacher Hinsicht als überlegen erwiesen haben.
Neben weiteren Grundlagenuntersuchungen im Hinblick auf Problemstellungen aus Meteorologie und Klimaforschung soll im Fortsetzungszeitraum mit Vorarbeiten für die Einbindung solcher Verfahren in die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelten komplexen Rechenmodelle begonnen werden.
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Originator:
Dr. Almut Gaßmann, Hamburg
Max-Planck-Institut für Meteorologie (funded in MetStroem-period I/II)
Professor Dr. Sarah C. Jones, Karlsruhe
Universität Karlsruhe (TH)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK)
Forschungsbereich Troposphäre (IMK-TRO)
Professor Dr. Vincent Heuveline
Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Angewandte und Numerische Mathematik IV
AG Numerische Simulation, Optimierung und Hochleistungsrechnen
Project:
Goal oriented adaptivity for tropical cyclones
http://www.emcl.kit.edu/goa_for_tcs.php
Summary:
Forecasting the development and motion of tropical cyclones presents a severe challenge for numerical weather prediction. A major roadblock to progress in this area is the large range of scales that must be considered.
Tropical cyclone motion is determined by the environmental flow on scales of several thousand kilometres whereas the genesis is particularly sensitive to innercore convection on scales below several kilometres. The structure and intensification are influenced by the large-scale and the convective scale. Thus a multi-scale approach is essential to represent a tropical cyclone adequately.
Numerical modelling of tropical cyclones requires a careful balance in the choice of appropriate model, discretization methods as well as an efficient methodology for the solution process. A main emphasis of this project is put on the design of goal oriented adaptive techniques towards automatic mesh adaptation both in time and space. A key issue is the ability to determine the influence of uncertainties in the initial conditions as well as the model and discretization error with respect to arbitrary physical quantities of interest.
We will develop scenarios relying on these adaptive techniques that encompass the definition of adequate goal functionals and efficient numerical methods including a full adjoint-based sensitivity analysis in space and time assuming a multi-scale framework. Particular attention will be given to the role of tropical-cyclone asymmetries and dynamical instabilities that influence both the intensity and motion of tropical cyclones.
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