在PALM中运行前置和正式理想模拟试验

记录一下使用PALM跑理想建筑绕流试验的具体流程。

这次试验的目的是想看来流遇到建筑物阻挡时，绕流形成的 horseshoe vortex 和 arch vortex。想要清晰的看到这两个结构，以及扰动向下游传播的情况的话，需要保证开始模拟时模拟模拟的大气就已经接近或达到稳态了，因此需要有一个 precursor 试验来在无建筑物的网格中提前模拟一段时间。

整体流程

整个模拟的流程大概如下。

1. 首先是要跑一个 precursor 试验，这一步是为了得到稳态的大气场数据，也是为了得到用于在正式试验中提供侧边界强迫的数据。这一步应该至少得到两个数据文件：
   1. 包含稳态大气场数据的 restart 文件 xxxx.d3d.yyy，其中 xxx 是模拟的 Identifier，yyy 是一串数字用来标识这个 restart 文件是第几次产生的，一般 precursor 只运行一次，所以通常是 000。但是如果你在第一次 precursor 试验的基础上又 restart 延长了一下 precursor 的时间，则后面的数字会增加1。再次 restart 的话同理，会再增加1。
   2. 某个剖面的数据。我的正式试验是西侧边界来流，所以要取得的剖面是 Y-Z 平面的数据，命名类似于 xxxx_yz.yyy.nc。
2. 剖面数据要进一步转换成 PALM 能够使用的 dynamic driver，这一步是比较难处理的，因为 PALM 没有提供方便的脚本进行转换，需要自己对照 PALM 对 dynamic driver 的要求对数据进行转换。
3. 使用得到的 d3d 和 dynamic driver 进行正式的模拟。

下面详细讲一下相关的配置，其中试验的一些参数的设置参考了 Shin et al. (2021, JAS)^[1]

precursor 试验

Initialization parameters

根据 AI 的回答，precursor 试验设置的模拟域可以比正式试验的网格小，这样在正式试验时，PALM 会重复使用 precursor 试验的三维大气填充整个模拟域。但是为了让结果受到的影响因素在可控范围内降到最小，我设置的 precursor 试验的模拟域和正式试验时一样大小的。

网格设置和分辨率设置

Shin 等的模拟使用了 FastEddy 垂直方向的拉伸，但是我这里为了方便垂直方向使用了固定的分辨率。precursor 试验四个边界都使用周期性边界条件，地形是 flat，omega 设置为 0 以关闭科氏力，初始场的初始化方式是 set_constant_profiles，设置 dp_external 为 .true 并设置 dpdxy 的值，具体合适的值要做一下测试才能知道。如果不设置这两项的话，没有气压梯度的驱动，风速会逐渐减弱无法达到平衡。这几项应该是必须的设置，其余参数则按照具体的试验要求进行更改即可，这一部分的具体参数如下：

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&initialization_parameters
    nx = 479
    ny = 287
    nz = 250
    dx = 5.0
    dy = 5.0
    dz = 4.8
    bc_lr = 'cyclic'
    bc_ns = 'cyclic'
    topography = 'flat'
    momentum_advec = 'ws-scheme'
    timestep_scheme = 'runge-kutta-3'
    turbulence_closure = '1.5-order'
    call_psolver_at_all_substeps = .true.
    initializing_actions = 'set_constant_profiles'
    ug_surface = 10.0
    vg_surface = 0.0
    latitude = 32.0
    omega = 0.0
    dp_external = .true.
    conserve_volume_flow = .false.
    dp_level_b = 0.0
    dpdxy = -1.6e-4, 0.0
    roughness_length = 0.1
    constant_flux_layer = .true.
    bc_uv_b = 'dirichlet'
    pt_surface = 300.0
    pt_vertical_gradient = 8.0, 0.3
    pt_vertical_gradient_level = 400.0, 650.0
    surface_heatflux = 0.0
    bc_pt_b = 'neumann'
    bc_pt_t = 'initial_gradient'
    neutral = .false.
    cfl_factor = 0.9
/

Runtime parameters

这一部分主要涉及试验的运行时间和输出的设置。precursor 试验应当尽量久的运行，以给大气调整到稳态的时间。经验上来讲，中性大气一般需要 2 天的调整时间，但是在我的测试下，PALM 似乎运行一天后就能接近稳态，具体是否达到稳态，要计算看看摩擦速度 u* 的水平平均时序，看看是否其是否只在某一水平范围内波动。

最后6小时模拟30分钟平均的风速、总TKE、雷诺应力和总动量通量随高度的差异

正常应该计算一下 u* 来看一下是否还有改变的，但是我忘了在 PALM 中输出这个变量了。有时风速、总TKE、雷诺应力和总动量通量的变化已经在0左右波动了，但是 u* 还有明显的变化趋势。。在 precursor 的试验中，应该至少将以下变量添加到 PALM 的输出中：

• u_yz
• v_yz
• w_yz
• e_yz
• theta_yz
• us*_xy

剖面的位置最好在 precursor 试验模拟域的中间，然后 dt_do2d_yz 设置的比较细，这样才能输出时间精度足够高的数据，用来在正式试验中提供动态的侧边界强迫。end_time 最好大于等于 $最短 precursor 模拟时间 + 正式试验模拟时间 + 5s$，最后的 5s 是为了预留出允许误差的时间，因为 PALM 的数据不是精确的整时输出，会比设定的目标时间略小。如果完全卡着时间来，最后正式试验会发现 PALM 报错说 dynamic driver 能够提供强迫的最大时间小于正式试验设定的结束时间，这就是因为 precursor 试验输出的最后一个结果略早于设定的结束时间导致的。

举个具体的例子，如果我想至少运行 24 小时来模拟稳态大气，正式试验运行6个小时，那么 precursor 的 end_time 应该至少设置为 108005 秒

$$24*60*60+6*60*60+5 = 108005\ s$$

最后我的 runtime parameters 配置如下

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&runtime_parameters
    end_time = 108005.0
    dt_max = 1.0
    create_disturbances = .true.
    section_yz_m = 1200.0
    dt_do2d_yz = 1
    skip_time_do2d_yz = 86400.0
    sectoin_xy = -1
    dt_do2d_xy = 60
    skip_time_do2d_xz = 86400.0
    npex = 20
    npey = 18
    data_output_pr = '#u', 'u*2', 'wu', 'w*u*', 'w"u"', '#v', 'v*2', 'wv',
                     'w*v*', 'w"v"', 'w', 'w*2', 'e', 'e*', '#km', '#l'
    dt_dopr = 300.0
    skip_time_dopr = 86400.0
    averaging_interval = 300.0
    dt_data_output_av = 300.0
    skip_time_data_output_av = 86400.0
    data_output = 'u_av', 'v_av', 'w_av', 'u_yz', 'v_yz', 'w_yz', 'e_yz',
                  'theta_yz', 'us*_xy'
    dt_data_output = 99999.0
/

运行方面，要将 namelist 保存为 xxxx_pcr，并且向 palmrun 传递参数 -a 'pcr restart'。有了 restart 参数，PALM 才能生成重启需要的数据文件。

Dynamic driver 的生成

这部分比较麻烦，所以我直接扔给 ChatGPT 让它帮我写了。由于代码量有点大，就不放在博客中展示了。如果你需要这个代码来生成 dynamic driver，可以留言联系我。

正式试验

经过前面两步的准备，现在应该有两个文件：xxxx_d3d.yyy 和 xxxx_dynamic。

正式试验的配置基本沿用 precursor 试验，但是有几个地方需要修改。

Initialization parameters

• 由于我是西侧入流，东侧出流，对应的边界条件配置 bc_lr 要改为 dirichlet/radiation。
• 因为放入了单个理想建筑，topography 设为 single_building，并通过相关的建筑参数设定了建筑物的大小和位置。
• initializing_actions 要改为 cyclic_fill，因为我们要读取 precursor 试验生成的 restart 文件。

Runtime parameters

• end_time 要在 precursor 的基础上再加上正式试验的模拟时长。
• 其他相关的变量输出设置要根据实际需要进行修改。

Turbulent inflow parameters

正式试验要添加这个配置块，并设置 turbulent_inflow_method = 'read_from_file'，这样 PALM 就会从 dynamic driver 中读取入流强迫。

将 namelist 文件保存为 xxxx_p3d，并向 palmrun 传递参数 -a 'd3# cyclic'，即可开始正式的绕流试验模拟。

续跑 precursor 试验

如果你跑完了 precursor 试验，发现大气还没有达到稳态怎么办？可以通过修改部分设置，在前面 precursor 试验的基础上续跑，因为 precursor 试验生成了用于 restart 的 d3d 数据，完全可以从保存的点继续续跑。

Initialization parameters

只需要将参数 initializing_actions 修改为 'read_restart_data' 即可。

Runtime parameters

将要续跑的时间添加到 end_time，使其值变成从最开始的第一次模拟起计算，到你续跑的试验模拟完所模拟的总模式时间。

将 namelist 文件保存为 xxxx_p3dr，并向 palmrun 传递参数 -a 'd3r restart'，即可开始续跑 precursor 试验。