A semi-Lagrangian Characteristic Mapping method for the solution of the tracer transport equations on the sphere is presented. The method solves for the solution operator of the equations by approximating the inverse of the diffeomorphism generated by a given velocity field. The evolution of any tracer and mass density can then be computed via pullback with this map. We present a novel spatial discretization of the manifold-valued map using a projection-based approach with spherical spline interpolation. The numerical scheme yields $C^1$ continuity for the map and global second-order accuracy for the solution of the tracer transport equations. Error estimates are provided and supported by convergence tests involving solid body rotation, moving vortices, deformational, and compressible flows. Additionally, we illustrate some unique features of computing the solution operator using a numerical mixing test and the transport of a fractal set in a complex flow environment.


翻译:介绍了一种半Lagrangian 特征绘图方法,用于解决球体上痕量传输方程式的解决方案。该方法通过接近某一速度场产生的二异形反向,来解决方程式的解决方案。然后,任何痕量和质量密度的演化可以通过本图的拉回来计算。我们展示了多值地图使用以投影为基础的方法以及球状样插图进行新的空间分解。该数字方案为示踪器传输方程式的地图和全球二阶级精确度提供了$C$1的连续性,提供了错误估计,并得到了涉及固体体旋转、移动浮质、变形和可压缩流的趋同测试的支持。此外,我们用数字混合测试和在复杂的流动环境中运输折形装置来计算解决方案操作器的一些独特特征。

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