이중 푸리에 급수 분광법 역학코어의 정확도와 계산 효율성 평가

Abstract

본 논문은 두 가지 이상화 실험 검증사례를 통해 이중 푸리에 급수(DFS) 분광 역학코어의 성능을 구면 조화 함수(SPH) 분광 역학코어와 비교 평가한다. 추가적으로, 계산 오류를 완화하기 위해 최근 개발되었지만 현재까지 2차원 천해방정식에만 적용된 DFS의 남북방향 확장 계수를 계산하는 새로운 접근법도 같이 검증한다. 첫번째 검증 사례인 3차원 변형류 상의 물질 수송 실험에서는 SPH와 DFS 시뮬레이션 간의 차이가 현저하지 않으며, 새로운 DFS 계산 방식은 결과값의 언더슈팅 문제에 있어서 조금이나마 우수한 결과를 보인다. 두번째 검증 사례인 경압파동 생성 실험에서는 DFS로 모의된 파동 패턴은 높은 해상도에서 SPH로 모의된 파동 패턴과 정량적으로 유사하지만 계산 비용이 상당히 낮다. 그러나 새로운 DFS 계산 방식은 원래의 DFS에 비해 두드러진 이점을 제공하지 않으며, 약간의 계산 비용 증가가 있다. 이 결과는 현재의 DFS 분광법이 고해상도 글로벌 모델링을 위한 실용적이고 대체 가능한 역학코어가 될 수 있음을 시사한다.

The double Fourier series (DFS) spectral dynamical core is evaluated for the two idealized test cases in comparison with the spherical harmonics (SPH) spectral dynamical core. A new approach in calculating the meridional expansion coefficients of DFS, which was recently developed to alleviate a computational error but only applied to the 2D spherical shallow water equation, is also tested. In the 3D deformational tracer transport test, the difference is not conspicuous between SPH and DFS simulations, with a slight outperformance of the new DFS approach in terms of undershooting problem. In the baroclinic wave development test, the DFS-simulated wave pattern is quantitatively similar to the SPH-simulated one at high resolutions, but with a substantially lower computational cost. The new DFS approach does not offer a salient advantage compared to the original DFS while computation cost slightly increases. This result suggests that the current DFS spectral method can be a practical and alternative dynamical core for high-resolution global modeling.