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Publié par | universitat_bremen |
Publié le | 01 janvier 2010 |
Nombre de lectures | 70 |
Poids de l'ouvrage | 31 Mo |
Extrait
AdaptiveMeshRefinementAppliedtoTsunamiModeling:TsunaFLASH
WidodoSetiyoPranowo
Adissertationsubmittedinpartialfulfillmentof
therequirementsforthedegreeofdoctorinengineering(Dr.Ing)
Supervisors:1.Prof.Dr.WolgangHiller(AlfredWegenerInstitute)
2.Prof.Dr.J¨ornBehrens(Universit¨atHamburg)
201028,JuneonSubmitted
201029,JulyonColloquium
ProgramAuthorizedtoOfferDegree:Fachbereich3MathematikundInformatik,
Universit¨atBremen
2010
Abstract
AdaptiveMeshRefinementAppliedtoTsunamiModeling:TsunaFLASH
WidodoSetiyoPranowo
ThedevastatingSumatra-AndamantsunamiofDecember2004,isamilestonefortheinternational
communitystrivingtointroducemeasurestopreventhazardsfrom(future)tsunamis.Oneofthe
measuresisnumericalmodelingwhichplaysakeyroleforpredictionsaswellasinundationmap-
elopments.vdeping
Numericalmodelinghasbeenusedasatoolforanalyzingandreconstructingtsunamisfor
almost40years.Nowadays,manytsunamicodesareavailableasopen-sourceorfree-wareand
widelyusedinthetsunamimodelingcommunity.Manynumericalmethodshavebeenappliedsuch
asfinitedifference,finiteelementandfinitevolume.Thesameappliestogriddingmethods,suchas
structuredandunstructurednon-adaptivetypes.
Thisthesisintroducesanewtriangle-basedadaptivemeshfiniteelementmodelfortsunami
propagation(andinundation)simulations.TsunaFLASHcombinesanumericalmethoddevelopedin
theframeworkoftheunstructuredtriangularelement,yetnon-adaptive,tsunamimodelTsunAWI
withadaptivemeshrefinementcapabilitiesprovidedbythelibraryamatos.Themethodsarewell
suitedforaccurateresolutionoflocalizedfeatures,maintainingcomputationalefficiencyintermsof
thenumberofcomputationsandtherequiredmemory.
InthisfirstdevelopmentsofTsunaFLASH,anumberofexperimentshavebeenperformedfor
testing.Thereare:Anexperimentsonvariousinitialconditions,fromananalyticalsourceuptoa
couplingtothesophisticatedrupturegeneratorRuptGen;experimentswithdiverseerrorestimators
fortestingrefinementcriteriaandadaptationalgorithms;benchmarkexperimentsusinganalytical
solutionsandfieldobservationswheretheanalyticalsolutionisderivedfromthefirstbenchmark
problemfromTheInternationalLongWavesreference;andtheseasurfaceelevationinthefielddata
experimentisusedfromthesatellitetracksofJason-1andTopexforverificationoftheSumatra-
Andamanmega-tsunami2004event,whilethewaterlevelreadingofDART23401isusedforthe
verificationoftheAndamanminortsunami2009.
Someadditionalstudieshavebeenconductedtoassessthephysicalbackgroundoftsunamis
simulationandtestpropersupportingtoolsforTsunaFLASH.Thereexperimentscomprisesource
modelreconstructionsandsimulationsbasedupontheseinthecontextofaprobableworstcase
tsunamisimulationforPadang;experimentstotesttheinfluenceofdifferenttypesoftopographies
ontheinundationbehavior;andaninvestigationofthemostrepresentativesourcemodelforthe
Andaman-Sumatramega-tsunamiof2004.Finally,theambiguityofthearrivaltimeoftheJava
minortsunami2009isexperimentallyinvestigated.
Keywords:tsunami,numericalmodel,finiteelement,unstructuredmesh,adaptivemesh
Zusammenfassung
AdaptiveGitterVerfeinerungangewandtaufdieTsunamiModellierung:TsunaFLASH
DerverheerendeSumatra-Andamanen-TsunamivomDezember2004isteinMeilensteinf¨ur
dieinternationaleGemeinschaftbeiderErgreifungvonMaßnahmen,Gefahrenzuk¨unftigerTsunamis
zureduzieren.F¨urdieVorhersagevonAnkunftszeitenderWellenunddieEntwicklungvon¨Uberflungs-
kartenspieltnumerischeModellierungeineSchl¨usselrolle.
NumerischeModellierungwirdseitfast40JahrenzurAnalyseundRekonstruktionvon
Tsunamisverwendet.VieleTsunami-CodessindOpenSourceoderFreewareundweitverbreitet
inderTsunami-Modellierungsgemeinschaft.VerschiedenenumerischeMethodenwerdenange-
wandt,wiez.B.dieFinite-Differenzen-,dieFinite-Elemente-oderdieFinite-Volumen-Methode.
BeiderGittergenerierungwirdzwischenstrukturiertenundunstrukturiertensowienichtadaptiven
undadaptivenVerfahrenunterschieden.
IndieserArbeitwirdeinneuesFinite-Elemente-ModellzurBerechnungderAusbreitungs-
und¨UberflutungsphasevonTsunamiwelleneingef¨uhrt,welchesaufadaptiverGitterverfeinerung
basiert.TsunaFLASHverbindetdasVerfahrenderadaptivenGitterverfeinerung(mitHilfederBib-
liothekamatos)mitdemnichtadaptivenFinite-Elemente-ModellTsunAWI.BeideMethodensind
f¨ureinehoheAufl¨osunglokalerGegebenheitensehrgeeignet,wobeidienumerischeEffizienzin
BezugaufdieAnzahlderBerechnungenunddenben¨otigtenSpeicherplatzerhaltenbleibt.
IndererstenEntwicklungsphasevonTsunaFLASHwurdenzahlreicheUntersuchungendurch-
gef¨uhrt:UnterschiedlicheAnfangsbedingungenwurdengetestet,voneineranalytischenQuellebis
zueinerkomplexenDeformationdesMeeresbodens(generiertdurchdasProgrammRuptGen).
VerschiedeneFehlersch¨atzerf¨urVerfeinerungskriterienundAlgorithmenzuradaptivenGitterver-
feinerungwurdenverglichen.BenchmarkexperimentemitanalytischenL¨osungenundFelddaten
wurdendurchgef¨uhrt.DieanalytischeL¨osungistvomerstenBenchmarkproblemderInternational
LongWaves-Konferenzabgeleitet.ZurValidierungdesModellswurdenSatellitentracksvonJason-
1undTopex,welcheDatenderMeeresspiegelauslenkungdesSumatra-Andamanen-Megatsunamis
von2004lieferten,verwendet.DerWasserstandderBojeDART23401dientederValidierungder
ModellergebnissedeskleinerenAndamanen-Tsunamisvon2009.
Zus¨atzlicheStudienwurdendurchgef¨uhrt,umdenphysikalischenHintergrundvonTsunami-
simulationenzuuntersuchensowiediekorrekteFunktionsweisederunterst¨utzendenWerkzeugef¨ur
TsunaFLASHzutesten:ZumeinenbeinhaltendieseExperimenteRekonstruktionenvonAnfangsbe-
dingungenundSimulationenimKontexteinesm¨oglichenworst-case-TsunamisvorPadang,Suma-
tra.DabeiwurdederEinflussvonverschiedenenTopographiedatens¨atzenaufdas¨Uberflutungs-
verhaltenuntersucht.Zumanderenwurdedasammeistenrepr¨asentativeQuellmodellf¨urden
Andamanen-Sumatra-Megatsunamiermittelt.SchließlichwurdendieUnklarheitenbeiderBes-
timmungderAnkunftszeitendesJava-Tsunamisvon2009n¨aherbetrachtet.
Stichw¨orter:Tsunami,numerischesModell,Finite-Elemente-Methode,unstrukturiertesGit-
ter,adaptivesGitter.
CONTENTSOFABLET
ListofFigures..........................................
ListofTables..........................................
Glossary.............................................
Chapter1:Introduction..................................
1.1Tsunamiintheworld.................................
1.2TsunamiModeling..................................
1.3Motivationandobjective...............................
1.4Thesisoverview....................................
Chapter2:TheModel..................................
2.1Shallowwaterequation................................
2.2Unstructuredfiniteelementmethod..........................
2.3Leapfrogscheme...................................
2.4Inundationboundarycondition............................
2.5Manningsroughnessandviscosity..........................
Chapter3:AdaptiveMeshRefinement..........................
3.1amatos........................................
3.2Meshrefinementandcoarsening...........................
3.3Spacefillingcurve..................................
Chapter4:NumericalDevelopment...........................
4.1Spatialdiscretization.................................
4.2Timedescritization..................................
4.2.1Physicalandnumerical(wave)mode....................
4.2.2Robert-Asselintimefilter...........................
4.3Timestepcontrol...................................
i
ageP
vi
ix
x
12578
101011121212
15151717
212123242626
4.4Inundationscheme..................................
4.5Bottomfriction....................................
4.6Smagorinskyhorizontalviscosityterm........................
Chapter5:Tools.....................................
5.1Visualizationtools..................................
5.1.1tsunaflashplot.m.............................
5.1.2tsunaflashmovie.m............................
5.1.3rgb2bmp.sh.................................
5.2Analysisandverificationtools............................
5.2.1tsunamifft.m................................
5.2.2tsunamimagnitude.m...........................
5.2.3tsunaflashtseries.m...........................
5.2.4tsunaflashcomparerunupbeach.m...................
5.2.5tsunaflashcomparesattrack.m.....................
5.3SeaBottomDeformationGenerator.........................
5.3.1tsunamirupdimslip.m...........................
5.3.2SeaBottomDeform.f90..........................
5.3.3tsunamiprojection.m...........................
5.4Initialgridgeneratorforscenarioofrunupinachannel...............
Chapter6:Modelsetup,NumericalExperimentResultsandDiscussion........
6.1Modelsetup......................................
6.1.1Bathymetryandtopography.........................
6.1.2Initialcoarsemesh..............................
6.1.3Hardwareandsoftware............................
6.2Experimentonthediverseinitialconditions.....................
6.2.1Cosinebell..................................
6.2.2Ellipticsource................................
6.2.3Couplingwitharupturegenerator......................
6.2.4Faultparameters...............................
6.3Experimentonthediverseerrorestimators......................
6.4Bechmark:Runuponaslopingbeach........................
6.5Experimentonthediverseadaptationalgorithm...................
6.6Computationalspeed................................