Etude des schémas de discrétisation temporelle 'explicite horizontal, implicite vertical' dans une dynamique non-hydrostatique pleinement compressible en coordonnée masse

Autor:	Colavolpe, Charles
Jazyk:	francouzština
Rok vydání:	2016
Předmět:	Schéma temporel Système d'Euler Stabilité numérique Runge-Kutta Schéma explicite/implicite Onde de acoustique/gravité Advection Orographie
Druh dokumentu:	Text
Popis:	La résolution numérique du système d'équations pleinement compressibles en vue de son utilisation pour des applications en Prévision Numérique du Temps (PNT) soulève de nombreuses questions. L'une d'elles porte sur le choix des schémas de discrétisation temporelle à mettre en oeuvre afin de résoudre ce système de la manière la plus efficace possible, pour permettre la continuelle amélioration qualitative des prévisions. Jusqu'alors, les schémas de discrétisation temporelle basés sur des techniques semi-implicites (SI) étaient les plus couramment employés PNT, compte tenu de leur robustesse et de leur grande propriété de stabilité. Mais avec l'émergence des machines massivement parallèles à mémoire distribuée, l'efficacité de ces techniques est actuellement remise en question, car leur confortable plage de stabilité est obtenue au prix de l'inversion d'un problème elliptique tri-dimensionnel très gourmand en communications. Ce travail thèse vise à explorer d'autres méthodes de discrétisation temporelle, en remplacemant des méthodes SI, s'appuyant sur des approches de type Horizontalement Explicite et Verticalement Implicite (HEVI). D'une part, ces approches s'affranchissent de la contrainte numérique imposée sur le pas de temps par la propagation verticales des ondes rapides supportées par le système, grâce au traitement implicite des processus verticaux. D'autre part, elles exploitent le paradigme de programmation voulant que chaque colonne verticale du modèle numérique soit traitée par un unique processeur. Ainsi, le traitement implicite de cette direction n'engendre aucunes communications entre les processeurs. Cependant, bien que ces ap- proches HEVI apparaissent comme une solution attractive, rien ne garanti que leurs efficacités puissent être aussi compétitives que celles des sché- mas SI. Pour ce faire, ces schémas HEVI doivent permettre l'utilisation de pas de temps raisonnables pour une application en PNT. L'objectif de ce travail de thèse est d'élaborer un schéma de discrétisation temporelle HEVI le plus efficace possible pour une utilisation en PNT, c'est à dire, un schéma qui autorise le plus long pas de temps possible. Dans cette optique, deux voies ont été explorées : la première, issue des méthodes à pas de temps fractionné, a permis de revisiter et d'améliorer un schéma de discrétisation temporelle déjà proposé mais dont l'examen n'a jamais été approfondi dans la littérature ; il s'agit du schéma d'avance temporelle saute-moutons trapézo\"idal. Il a été mis en évidence que l'ajout d'un simple filtre temporel d'usage commun en PNT, améliore grandement la stabilité de ce schéma, lui permettant ainsi à moindre coût de rivaliser en terme de stabilité avec le schéma Runge-Kutta explicite d'ordre 3. La seconde voie, plus récente, c'est avérée la plus prometteuse. Elle repose sur l'utilisation des méthodes Runge-Kutta Implicite-Explicite (RK-IMEX) HEVI. Au cours l'étude, il a été tout d'abord mis en évidence certains problèmes de stabi- lité des schémas initialement suggérés dans la littérature en présence des processus d'advection. Puis, une nouvelle classe de schéma RK-IMEX HEVI s'appuyant sur un traitement temporel spécifique des termes d'ajustement horizontaux a été proposé The use non-hydrostatic fully compressible modelling system in the perspective of Numerical Weather Prediction (NWP) raises many challenging questions, among which the choice time discretization scheme. It is commonly acknowledge that the ideal time marching algorithms to integrate the fully compressible system should both overcome the stability constraint imposed on time-step by the fast propagating waves supported by the system, and be scalable enough for efficiently computing on massively parallel computer machine. The assumed poor scalability property of Semi-implicit (SI) time schemes, currently favoured in NWP, is quite a drawback as they require global communications to solve a full three-dimensional elliptic problem. Because it is considered as the best compromise between stability, accuracy and scalability the properties of various classes of Horizontally Explicit Vertically Implicit (HEVI) schemes have been deeply explore in this work in a view of solving the fully system in mass-based coordinate. This class of time discretization approach eliminates all the problems linked to the implicit treatment of horizontal high-frequency forcings by coupling multi-step or multi-stage explicit methods for the horizontal propagation of fast waves to an implicit scheme for the treatment of vertically prop- agating elastic disturbances. The limitation in time-steps compared to SI schemes would be compensated by a much more economical algorithm per time-step. However, it is not firmly established that the efficiency of such a HEVI schemes could compete with one of the semi-implicit schemes. The main objective of this Phd thesis work is to elaborate an efficient HEVI time scheme allowing usable time-step for NWP applications. For this purpose, the so-called explicit time-splitting technique and the recently suggested Runge-Kutta IMEX (RK-IMEX) schemes have been explored un- der HEVI approach. Firstly, the superiority in term of stability of the RK-IMEX methods in respect with the time-splitting approach has been con- firmed. However, in presence of advection processes some unstable numerical behaviour of these schemes has been pointed out. To circumvent this problem a new class of RK-IMEX HEVI schemes has been proposed. This new class of HEVI time schemes reveals to be very attractive since they provide both good stability and accuracy properties. Secondly, in a side aspect of the HEVI approach, the stability impact of the temporal treatment of the terrain following coordinate non-linear metric terms has been demonstrated. Numerical analyses on simplified framework indicate that there might be a benefit to deal with these specific terms in the implicit part of the HEVI schemes. All the theoretical studies have been confirmed by nu- merical testing through the use of a Cartesian vertical plane fully compressible model cast in a mass-based coordinate.
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