CFDシミュレーションと現実的な海洋/大気モデルシミュレーションの違いは何ですか？

計算流体力学（CFD）の分野は、ナビエストークス方程式（またはそれらのいくつかの簡略化）を解くことに専念しています。CFD、海洋および大気モデルのサブセットは、現実的なアプリケーションのために同じ方程式を数値的に解きます。一般的なCFDアプローチと適用された現実的なケースの違いとトレードオフは何ですか？

大気と海洋には高度に層化された流れがあり、その中でコリオリの力がダイナミクスの主要なソースです。地衡のバランスを維持することは非常に重要であり、多くの数値スキームは、重力波のエネルギーの放射を回避するために（少なくとも地形がない場合）正確に互換性があるように意図されています。層別化のため、垂直方向の数値拡散を制限することは非常に重要であり、その目的のために（特に海で）特別なグリッドがしばしば使用されます。多くの方法は事実上2.5次元の定式化です。

長期間にわたる気候シミュレーションの場合、統計的に意味のある結果を得るためには、エネルギーや他のフラックス（塩など）の保存が重要であると考えられています。ダイナミクスの減衰を回避するために、精度が低く、特定の数値アーティファクトがあるメソッドを選択する場合があります。長期的なダイナミクスは、数十年にわたって平均された大陸規模では均質化しない可能性があることに注意してください。

産業用CFDソルバーは、より等方性（通常は3D）で、多くの場合コリオリを無視する流れに使用される傾向があります。彼らはしばしば強い強制力を持っているため、それほど重要ではない省エネ要件があります。強い衝撃に対処するのが一般的です。この場合、散逸性が高いにもかかわらず、非線形の空間離散化を使用する必要があります。

ほとんどの産業用アプリケーションで実際に実験を行うことができるため、ソフトウェアはより多くの検証を体験できます。気象モデルにも一定の検証がありますが、気候モデルは時間スケールが含まれており、オーバーフィッティングが避けられないため、検証することはほとんど不可能です。

Jed Brownは、中規模モデルおよび大規模モデルで使用されている従来のアプローチについて説明しました。実際、マイクロスケールでは、多くの大気モデルが従来のCFDコードに非常に近く、同様の有限体積離散化、垂直が水平と同様に扱われる同様の3Dグリッドなどを使用します。解像度に応じて、建物などのフィーチャも、浸漬境界法やボディフィットグリッドなど、エンジニアリングCFDから知られているのと同じアプローチで解決されます。

有限差分、有限体積、疑似スペクトル、さらには有限要素など、エンジニアリングCFDから知っているすべての離散化手法に出会うことができます。同じ圧力補正（フラクショナルステップ）メソッドは、非圧縮性ナビエストークス方程式（浮力のブシネスクまたは非弾性項を使用）を解くためによく使用されます。

もちろん、Monin-Obukhovの類似性や他の半経験的関係のような地表相互作用の詳細を考慮して、地表近くの熱と運動量フラックスの異なるパラメーター化が一般的に使用されます。

ラージエディシミュレーション（LES）の手法全体は、現在エンジニアリングで非常に人気がありますが、実際には境界層気象に由来しています。この規模の多くの大気モデラーは、彼らの作品をCFDと呼ぶことをためらうことはないとも言っています。

多くの（すべてではない）アプリケーションでは、コリオリ力も追加する必要があります。スキームはバランスが取れている必要はありませんが、それは単なる1つの追加のボリュームフォースです。雲の形成、降水量、放射などのプロセスも計算すると、状況はさらに複雑になりますが、反応速度論、燃焼などを解決するエンジニアリングモデルについても同じことが言えます。

このクラスのモデルには、要求した海洋と大気の相互作用を説明するモデルも含まれます。たとえば、https：//ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdfを参照してください。

天気予報ソフトウェアと「カジュアルCFDソルバー」の違いは、天気予報が水の遷移でどのように機能するかです。水は2番目のコンポーネントとして扱われているため、モデルは2つのコンポーネントを持つ3次元になります。

$\omega$$d \omega/dt = (\omega \nabla) u + \nu \nabla^2 \omega$