Although the spectral technique is frequently used for the horizontal discretization in global atmospheric models, it is not common in limited area models (LAMs) because of the non-periodic boundary conditions. We apply the Haugen-Machenhauer extension technique to a regional three-layer shallow-water model based on double Fourier series. The method extends the time-dependent boundary fields into a zone outside the integration area in a way that periodic fields are obtained. The boundary fields necessary for the regional model simulations are calculated in advance by a global simulation performed. In contrast to other studies, we use exactly the same numerical model for the global and the regional simulation, respectively. The only difference between these simulations is the model domain. Therefore, a relatively objective measure for errors associated with the extension technique can be obtained. First, we compare an analytic stationary non-linear and non-periodic solution of the governing model equations with the spectral LAM solution. Secondly, we compare the time evolution of pressure and fiow structures during a westerly fiow across an asymmetric large-scale topography in the global and regional model domains. Both simulations show a good agreement between the regional and the global solutions. The rms-errors amount to about 2 m for the layer heights and 0.2 ms-1 for the velocity components in the mountain fiow case after a 48 h integration period. Finally, we repeat this simulation with models based on 2nd and 4th order finite differences, respectively, and compare the errors of the spectral model version with the errors of the grid point versions. We demonstrate that the high accuracy of global spectral methods can also be realized in the regional model by using the Haugen-Machenhauer extension technique. / Obwohl spektrale Techniken häufig zur horizontalen Diskretisierung in globalen Atmosphärenmodellen genutzt werden, sind sie aufgrund der nicht-periodischen Randbedingungen in Regionalmodellen nicht üblich. Wir verwenden das Erweiterungsverfahren von Haugen und Machenhauer in einem Flachwassermodell mit drei Schichten, das auf doppelten Fourier-Reihen basiert. Das Verfahren setzt die zeitabhängigen Randfelder so in einen Bereich außerhalb des Integrationsgebiets fort, daß man periodische Randbedingungen erhält. Die für die Simulationen mit dem Regionalmodell benötigten Randfelder
werden mittels einer zuvor durchgeführten globalen Simulation berechnet. Im Gegensatz zu anderen Untersuchungen verwenden wir genau das gleiche Modell für die globale und die regionale Simulation. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Simulationen ist das Modellgebiet. Dadurch erhält man ein relativ objektives Maß für die Fehler, die durch die Anwendung des Erweiterungsverfahrens entstehen. Als ersten Test vergleichen wir zunächst eine analytische, stationäre, nicht-lineare und nicht-periodische Lösung der Modellgleichungen mit der spektralen Lösung des Regionalmodells. Zweitens vergleichen wir die zeitliche Entwicklung von Druck- und Strömungsmustern während einer westlichen Strömung über eine unsymmetrische, großskalige Topographie im globalen bzw. regionalen Modellgebiet. Beide Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung der globalen und regionalen Lösungen. Die rms-Fehler betragen ungefähr 2 m für die Schichthöhen und 0.2 ms-1 für die Geschwindigkeitskomponenten bei der Bergüberströmungssimulation nach einer Integrationszeit von 48 h. Darüberhinaus wiederholen wir diese Simulation mit auf Finiten Differenzen 2. bzw. 4. Ordnung
basierenden Modellen und vergleichen die Fehler der spektralen und der Gitterpunktversionen. Wir zeigen, daß die hohe Genauigkeit der globalen spektralen Methoden durch die Anwendung des Erweiterungsverfahrens von Haugen und Machenhauer auch auf das regionale Gebiet übertragen werden kann.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:15134 |
| Date | 28 November 2016 |
| Creators | Simmel, Martin, Harlander, Uwe |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:article, info:eu-repo/semantics/article, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:15-qucosa-211034, qucosa:14969 |
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