In this paper, Hamiltonian and energy preserving reduced-order models are developed for the rotating thermal shallow water equation (RTSWE) in the non-canonical Hamiltonian form with the state-dependent Poisson matrix. The high fidelity full solutions are obtained by discretizing the RTSWE in space with skew-symmetric finite-differences, that preserve the Hamiltonian structure. The resulting skew-gradient system is integrated in time with the energy preserving average vector field (AVF) method. The reduced-order model (ROM) is constructed in the same way as the full order model (FOM), preserving the reduced skew-symmetric structure and integrating in time with the AVF method. Relying on structure-preserving discretizations in space and time and applying proper orthogonal decomposition (POD) with the Galerkin projection, an energy preserving reduced order model (ROM) is constructed. The nonlinearities in the ROM are computed by applying the discrete empirical interpolation (DEIM) method to reduce the computational cost. The computation of the reduced-order solutions is accelerated further by the use of tensor techniques. The overall procedure yields a clear separation of the offline and online computational cost of the reduced solutions. The accuracy and computational efficiency of the ROMs are demonstrated for a numerical test problem. Preservation of the energy (Hamiltonian), and other conserved quantities, i.e. mass, buoyancy, and total vorticity show that the reduced-order solutions ensure the long-term stability of the solutions while exhibiting several orders of magnitude computational speedup over the FOM.


翻译:在本文中,汉密尔顿和节能减序模型是针对非卡诺型汉密尔顿式的旋转热浅水方程式(RTSWE)开发的,该模型以国家为依存的 Poisson 矩阵为主。高忠诚度全方位解决方案是通过将空间的RTSWE离散而获得的,该模型将保持汉密尔顿结构,由此形成的Skew梯度系统与平均矢量场(AVF)方法相融合。减序模型(ROM)的构建方式与全序模型(FOM)的构建方式相同,保存减少的Skew对称度结构结构结构结构结构结构结构结构,将空间和时间分开,并采用适当或偏差的定位的定序(POD),由此构建了一个节能保存减序模型(ROM),通过采用离散实度实度实度实度的内位互换计算方法来降低计算总计算成本,定期对等值结构结构结构结构结构结构的架构,同时通过降低总体成本计算方法进行计算。 清晰的计算,降低内部递定的计算,同时降低成本计算,并加速计算方法将加速计算。

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