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评估大气大涡模拟模型中物理参数和建模选择带来的不确定性。

Assessing uncertainties from physical parameters and modelling choices in an atmospheric large eddy simulation model.

作者信息

Jansson Fredrik, Edeling Wouter, Attema Jisk, Crommelin Daan

机构信息

Centrum Wiskunde & Informatica, Amsterdam, Netherlands.

Delft University of Technology, Delft, Netherlands.

出版信息

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2021 May 17;379(2197):20200073. doi: 10.1098/rsta.2020.0073. Epub 2021 Mar 29.

DOI:10.1098/rsta.2020.0073
PMID:33775144
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8059568/
Abstract

In this study, we investigate uncertainties in a large eddy simulation of the atmosphere, employing modern uncertainty quantification methods that have hardly been used yet in this context. When analysing the uncertainty of model results, one can distinguish between uncertainty related to physical parameters whose values are not exactly known, and uncertainty related to modelling choices such as the selection of numerical discretization methods, of the spatial domain size and resolution, and the use of different model formulations. While the former kind is commonly studied e.g. with forward uncertainty propagation, we explore the use of such techniques to also assess the latter kind. From a climate modelling perspective, uncertainties in the convective response and cloud formation are of particular interest, since these affect the cloud-climate feedback, one of the dominant sources of uncertainty in current climate models. Therefore we analyse the DALES model in the RICO case, a well-studied convection benchmark. We use the VECMA toolkit for uncertainty propagation, assessing uncertainties stemming from physical parameters as well as from modelling choices. We find substantial uncertainties due to small random initial state perturbations, and that the choice of advection scheme is the most influential of the modelling choices we assessed. This article is part of the theme issue 'Reliability and reproducibility in computational science: implementing verification, validation and uncertainty quantification '.

摘要

在本研究中,我们采用了在此背景下几乎尚未使用过的现代不确定性量化方法,来探究大气大涡模拟中的不确定性。在分析模型结果的不确定性时,可以区分与物理参数相关的不确定性(其值并不确切知晓)以及与建模选择相关的不确定性,例如数值离散化方法的选择、空间域大小和分辨率的选择以及不同模型公式的使用。虽然前一种不确定性通常例如通过正向不确定性传播来研究,但我们探索使用此类技术来评估后一种不确定性。从气候建模的角度来看,对流响应和云形成中的不确定性尤为令人关注,因为这些会影响云 - 气候反馈,而云 - 气候反馈是当前气候模型中主要的不确定性来源之一。因此,我们在RICO案例中分析了DALES模型,这是一个经过充分研究的对流基准。我们使用VECMA工具包进行不确定性传播,评估源于物理参数以及建模选择的不确定性。我们发现由于小的随机初始状态扰动存在大量不确定性,并且平流方案的选择是我们评估的建模选择中最具影响力的。本文是主题为“计算科学中的可靠性和可重复性:实施验证、确认和不确定性量化”的一部分。

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