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物理学 > 大气与海洋物理

arXiv:2509.05536 (physics)
[提交于 2025年9月5日 ]

标题: 自适应时间步长的超级液滴方法蒙特卡罗碰撞凝聚方案

标题: Adaptive time-stepping for the Super-Droplet Method Monte Carlo collision-coalescence scheme

Authors:Emma Ware, Piotr Bartman-Szwarc, Adele L. Igel, Sylwester Arabas
摘要: 我们对超级液滴方法(SDM)的自适应时间步长方案进行了分析,SDM 是一种用于模拟粒子凝聚的蒙特卡洛算法。SDM 将云滴表示为加权超级液滴,能够实现对微物理过程(如碰撞-合并)的高保真表示。然而,当预期的事件数量在超级液滴配置下不可实现时,该算法可能会低估碰撞次数,从而引入一种称为碰撞不足的偏差误差。尽管 SDM 展现了蒙特卡洛方案固有的统计波动,但这种不足是一种对碰撞事件的系统性低估。这种误差可以通过自适应时间步长来解决,自适应时间步长动态调整模拟时间步长以消除这种不足。我们分析了在广泛的时间步长、超级液滴数量和初始化策略下该不足的表现,并探讨了准确性和效率之间的权衡。使用经典的 Safranov-Golovin 测试案例,我们表明不足随着时间步长和超级液滴数量的增加而增加,并且自适应时间步长可以有效地消除相关误差,而不会带来显著的成本。我们测试了一种平滑的初始分布范围,其极值代表两种不同的初始化方法,并发现尽管不足对属性空间采样策略的选择敏感,但自适应时间步长显著减少了差异,使得用户可以选择针对其他过程优化的初始化方法。我们还提出了一种可视化方法,利用网络连通性图同时捕捉属性采样、多个时间步长内的液滴相互作用以及不足。在二维流动耦合模拟中,我们发现不足的影响比之前显示的更强,未经纠正的不足会延迟降水的发生。
摘要: We present an analysis of an adaptive time-stepping scheme for the Super-Droplet Method (SDM), a Monte Carlo algorithm for simulating particle coagulation. SDM represents cloud droplets as weighted superdroplets, enabling high-fidelity representations of microphysical processes such as collision-coalescence. However, the algorithm can undercount collisions when the expected number of events is not realizable given the superdroplet configuration, introducing a biased error referred here as the collision deficit. While SDM exhibits statistical spread inherent to Monte Carlo schemes, the deficit is a systematic underestimation of collision events. This error can be addressed with adaptive time-stepping, which dynamically adjusts simulation time steps to eliminate this deficit. We analyze the behavior of the deficit across a wide range of timesteps, superdroplet counts, and initialization strategies, and explore trade-offs between accuracy and efficiency. Using the classical Safranov-Golovin test case, we show that the deficit increases with timestep and superdroplet count, and that adaptive time-stepping effectively removes the associated error without significant cost. We test a smooth continuum of initial distributions with extrema representing two different initialization methods, and find that while the deficit is sensitive to the choice of attribute-space sampling strategies, adaptive time-stepping substantially reduces the difference, allowing for users to choose initialization methods optimized for other processes. We also propose a method of visualization, capturing both the attribute sampling, droplet interactions over multiple timesteps, and the deficit using network connectivity graphs. In 2-D flow-coupled simulations, we find the deficit can have a stronger effect on convergence than previously shown, with uncorrected deficit delaying the onset of precipitation.
主题: 大气与海洋物理 (physics.ao-ph) ; 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2509.05536 [physics.ao-ph]
  (或者 arXiv:2509.05536v1 [physics.ao-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.05536
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来自: Emma Ware [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 9 月 5 日 23:24:16 UTC (1,367 KB)
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