CFD模拟与现实的海洋/大气模型模拟之间有什么区别？

计算流体动力学（CFD）领域致力于解决Navier-Stokes方程（或它们的一些简化）。CFD，海洋和大气模型的子集可以在数值上求解相同的方程式，以用于实际应用。一般CFD方法与实际应用案例之间有什么区别和取舍？

— Arkaia
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解决Navier-Stokes的海洋和大气模型是所有CFD方法的子集。在撰写本文时，这个问题似乎有点像在问“山地车和自行车之间的区别和取舍是什么？” 您是要问海洋和大气模型需要哪些假设或专业化知识吗？这似乎是@Jed在下面回答的内容。

— Doug Lipinski 2014年

谢谢。我试图相应地编辑问题。以我的经验，大多数进行海洋和大气建模的人不会将自己形容为CFD。

— 2014年

我想我仍然不太确定这个问题。您会考虑采用什么“通用” CFD方法。一旦开始离散化CFD的NS方程，您就会做出降低通用性的选择，因此所有CFD方法都以某种方式专用于其预期的应用。对我而言，讨论在地球物理流体动力学（GFD）模型中做出的选择（以及原因）变得更加有意义。例如旋转参考系，分层流，湍流模型。对于跨音速流动中的冲击，这些选择不同于例如CFD。

— Doug Lipinski

我认为您提到的有关GFD模型选择的问题也很重要，可能值得一提。如我所见，@

— Jed_Brown

对于某些背景知识，您可以查看WRF的文档。例如，请参阅www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

— stali 2014年

Answers:

大气和海洋具有高度分层的流动，其中科里奥利力是动力的主要来源。保持地转平衡非常重要，并且许多数值方案旨在精确兼容（至少在没有地形的情况下），以避免在重力波中辐射能量。由于分层，限制垂直数值扩散非常重要，为此通常使用特殊的网格（特别是在海洋中）。许多方法实际上是2.5维公式。

对于长时间的气候模拟，通常认为保存能量和其他通量（如盐）对于统计意义上的结果至关重要。为了避免衰减动力学，可以选择不那么精确并且具有某些数字假象的方法。请注意，长期动态可能不会在几十年来平均的大陆尺度上均一化。

工业CFD求解器通常用于各向同性（通常为3D）且经常忽略科里奥利的流。它们通常具有更强的推动力，因此对节能的要求也较低。处理强烈冲击是很常见的，在这种情况下，尽管耗散较大，但必须使用非线性空间离散。

由于实际上可以针对大多数工业应用执行实验室实验，因此该软件需要更多的验证。天气模型也具有不断的验证，但是由于涉及的时间尺度和不可避免的过度拟合，气候模型几乎无法验证。

— 杰德·布朗
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尽管应该指出，气候模型确实通过两种方法得到了验证：（i）与过去的气候进行比较，例如在过去150年中，我们确实拥有相当准确的数据；（ii）通过比较独立的不同气候模型之间的比较发达。这与应用于CFD代码的标准不同，但它远比科学家为科学家编写的任何普通代码好：-)

— Wolfgang Bangerth 2014年

@WolfgangBangerth仍然过拟合。这些模型取决于过多的可调参数。更改分辨率，时间步长或模型的其他组件，需要“重新校准”。重新校准是一个非常费力且主观的过程（很多人年）。当今世界一流的科学家不可能无视最近50年的观测结果，而花费数年的时间对模型进行校准，以避免过度拟合（冒险的）再现最近气候历史的尝试。

— 杰德·布朗

我不同意。气候法规是精致的生物。我只是想指出，您的回答似乎暗示着气候法规基本上没有得到验证。这不是真的（这也是我们有义务向广大公众强调的内容-参见youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k）。

— Wolfgang Bangerth，2014年

与具有许多独立实现的工程或天气预报相比，气候本质上是我们知道遭受过度拟合的一种实现。当我戴上应用数学帽时，我记得验证应该先于验证，并且验证是一个持续的过程，而不是可以完成的任务。但是气候模型在空间或时间上并不收敛，因此很难谈论验证，我们只有一个认识。

— 杰德·布朗

虽然我们作为一个社区同意某些因果关系和总体趋势，但我们不能同意北美地区30年平均地表温度的迹象是否可以预测。确实，最近的CESM大型合奏项目的结果表明事实并非如此。因此，我们不知道定量的区域政策问题是否恰当，更不用说今天的模型是否值得信赖以给出有意义的答案了。这不是要贬低该领域或降低对更广泛解释的信心。这个问题很难。

— 杰德·布朗2014年

杰德·布朗（Jed Brown）描述了中尺度和较大尺度模型中使用的传统方法。实际上，在微观尺度上，许多大气模型都非常接近于传统的CFD代码，使用相似的有限体积离散化，相似的3D网格（垂直方向类似于水平方向）等等。根据分辨率，甚至可以使用工程CFD中已知的相同方法来解析建筑物之类的特征，例如沉浸边界方法或车身网格。

您会遇到从工程CFD已知的所有离散化技术，例如有限差分，有限体积，伪谱甚至有限元。通常使用相同的压力校正（分数步）方法来求解不可压缩的Navier-Stokes方程（使用Boussinesq或非弹性项表示浮力）。

当然，考虑到像莫宁-奥布霍夫相似性或其他半经验关系之类的陆地-地表相互作用的细节，通常对地表附近的热和动量通量使用不同的参数化。

如今，在工程中非常流行的大涡模拟（LES）的整个方法实际上起源于边界层气象学。我什至要说，许多这样规模的大气建模人员会毫不犹豫地将他们的工作称为CFD。

在许多（但不是全部）应用程序中，您还必须添加科里奥利力。这些方案不一定要平衡好，但这只是一种额外的力量。如果您还计算云形成，降水和辐射等过程，事情将变得更加复杂，但解决反应动力学，燃烧等问题的工程模型也是如此。

此类模型还包括那些说明您所要求的海洋与大气相互作用的模型，例如，请参见https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

— 弗拉基米尔F
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天气预报软件和“常规CFD求解器”之间的区别在于天气预报如何随着水的过渡而工作。水被视为第二成分，因此模型变为具有2个成分的3维。

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

— 萨纳里斯
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各种模型可以处理各种事情。如果您说的是欧米茄的涡度，而不是某些天气模型会使用它，那么有些则不会。

— 弗拉基米尔F