We outline how discrete analogues of the conservation of potential vorticity may be achieved in Finite Element numerical schemes for a variational system which has the particle relabelling symmetry, typically shallow water equations. We show that the discrete analogue of the conservation law for potential vorticity converges to the smooth law for potential vorticity, and moreover, for a strong solution, is the weak version of the potential vorticity law. This result rests on recent results by the author with T. Pryer concerning discrete analogues of conservation laws in Finite Element variational problems, together with an observation by P. Hydon concerning how the conservation of potential vorticity in smooth systems arises as a consequence of the linear momenta. The purpose of this paper is to provide all the necessary information for the implementation of the schemes and the necessary numerical tests. A brief tutorial on Noether's theorem is included to demonstrate the origin of the laws and to demonstrate that the numerical method follows the same basic principle, which is that the law follows directly from the Lie group invariance of the Lagrangian.


翻译:我们概述了如何在变分体系中实现潜在涡量守恒的离散化模拟。这里采用了有粒子重标记对称性的有限元数值方案,而典型的浅水方程是其代表。我们证明了潜在涡量的离散化守恒定律收敛于光滑的潜在涡量定律,并且对于强解而言,这是潜在涡量定律的弱版本。这一结果基于作者与T. Pryer最近关于有限元变分问题中守恒定律的离散化模拟的结果,以及P. Hydon的观察,证明光滑系统的潜在涡量守恒是线性动量的结果。本文的目的是提供实施方案和所需数值测试的所有必要信息。短小的Noether定理教程被包括在内,以展示定律的起源,并证明数值方法遵循同样的基本原则,即定律直接来自于能使Lagrangian不变的Lie群。

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