TRiSK-type numerical schemes are widely used in both atmospheric and oceanic dynamical cores, due to their discrete analogues of important properties such as energy conservation and steady geostrophic modes. In this work, we show that these numerical methods are best understood as a discrete exterior calculus (DEC) scheme applied to a Hamiltonian formulation of the rotating shallow water equations based on split exterior calculus. This comprehensive description of the differential geometric underpinnings of TRiSK-type schemes completes the one started in \cite{Thuburn2012,Eldred2017}, and provides a new understanding of certain operators in TRiSK-type schemes as discrete wedge products and topological pairings from split exterior calculus. All known TRiSK-type schemes in the literature are shown to fit inside this general framework, by identifying the (implicit) choices made for various DEC operators by the different schemes. In doing so, unexplored choices and combinations are identified that might offer the possibility of fixing known issues with TRiSK-type schemes such as operator accuracy and Hollingsworth instability.


翻译:TRiSK类型的数字方法在大气和海洋动态核心中广泛使用,原因是它们与节能和稳定的地球营养模式等重要特性的离散类比。在这项工作中,我们表明,这些数字方法最能被理解为一个离散的外部微积分(DEC)方案,适用于汉密尔顿式的根据分裂的外部微积分制的旋转浅水方程公式。这种对TRiSK型计划的不同几何基础的全面描述完成了在\cite{Thuburn2012,Eldred2017}中开始的模型,并提供了对TRiSK型计划中某些操作员的新理解,作为离散的微积分产品和与分裂的外部微积分的表层对齐。文献中所有已知的TRiSK型方案都符合这一总体框架,通过查明不同方案为各种DEC型运营商作出的(不确切)选择。在这样做时,确定了未勘探的选择和组合,可能提供用不稳定的操作者身份来修正已知的问题。

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