Efficient numerical methods to solve the viscous-plastic sea ice model at high spatial resolutions ...

• Main Author: Mehlmann, Carolin
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt 2019
• Subjects: Angewandte Mathematik; 519; Gar’; Sea ice
• Online Access: https://dx.doi.org/10.25673/14011; https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/14142

In this thesis, we develop efficient numerical methods to solve the viscous-plastic sea ice model on high resolution grids, with a cell size up to 2 km. This model describes the dynamical and thermodynamical large-scale processes in sea ice and plays an important role in climate models. The sea ice component in climate models accounts for more than 20% of the overall computational effort. Thus, the development of efficient numerical methods is topic of current research. Sea ice dynamics are modeled by a system of equations coupling a nonlinear momentum equation, and transport processes. Currently, existing methods are based on implicit discretizations of the nonlinear momentum equation and converge either poorly or not at all on high resolution grids. Within a finite element framework, we present a new efficient Newton solver, globalized with a line search method and accelerated, with respect to convergence, by the operator-related damped Jacobian method. Using this novel approach we significantly improve ... : In der vorliegenden Arbeit entwickeln wir effiziente numerische Methoden zur Lösung des visko-plastischen Meereismodells auf hochaufgelösten Gittern, mit einer Gitterweite von bis zu 2 km. Das Meereismodell beschreibt die Dynamik und Thermodynamik des Meereises und ist ein wichtiger Bestandteil in Klimamodellen. Die Simulation der Meereisdynamik kann in gekoppelten Klimamodellen mehr als 20% des Gesamtaufwandes in Anspruch nehmen, weshalb die Entwicklung effizienter Methoden zur Simulation der Meereisdynamik Teil der gegenwärtigen Forschung ist. Die Meereisdynamik wird durch ein System bestehend aus einer nichtlinearen Momentengleichung und Transportgleichungen modelliert. Derzeitige Methoden zur Lösung der implizit diskretisierten Momentengleichung des Meereismodells konvergieren entweder langsam oder gar nicht mit zunehmender örtlicher Auflösung. Im Rahmen eines Finite- Elemente-Ansatzes präsentieren wir ein neues Newton-Verfahren, globalisiert mit dem Liniensuchverfahren und beschleunigt hinsichtlich der ...