129
Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Méthodes numeriques appliquées à l’environnement Ingénieurs: mercredi après-midi, DEA: jeudi matin Jean-Marie Beckers [email protected] http://modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/accueil.html Universit´ e de Li` ege GHER Sart-Tilman B5 Belgium J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 1 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Plan du cours Etudiants DEA sans formation en numérique: Jeudis 10:30-12:30 J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 2 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Plan du cours Etudiants avec formation en numérique: Mercredis 14:00-16:00 24/9 Historique modélisation, rappels concepts mathématiques de base 25/9 Concept de "lois de conservation", "volumes de contrôle finis" 1/10 Eq. différentielles ordinaires, discrétisations, troncature, stiffness 8/10 Eq. aux dérivées partielles, stabilité, convergence, dispersion, propagation Type d’erreurs et leur quantification Discrétisation de processus océanographiques, Coriolis, diffusion 15/10 Concepts de grilles décentrées Aliasing 22/10 Advection 29/10 Traitement de la pression , equations de poisson, mode-splitting 5/11 Changements de coordonnées 12/11 Méthodes Lagrangiennes 19/11 Outils d’analyse de résultats 26/11 Pas fractionnaires et autres méthodes 3/12 Assimilation et Distribution du travail J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 3 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Navigation dans le document et dans le WWW : Table des matières : Page +1 : Page -1 : Page précédente : Page suivante : Plein écran/fenêtre http://modb.oce.ulg.ac.be : url extérieur Un lien : liens sélectionnables equation (312) et figure 305: renvoi et lien avec une equation/figure 1 : un copyright d’images trouvées sur le WWW Certaines images sont des animations qui se mettent en route quand on les sélectionne J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4

J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

snu

mer

ique

sap

pliq

uées

àl’e

nviro

nnem

ent

Ingé

nieu

rs:

mer

cred

iapr

ès-m

idi,

DE

A:j

eudi

mat

in

Jea

n-M

arie

Bec

ker

s

[email protected]

http://modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/accueil.html

Univ

ersi

tede

Lie

ge

GH

ER

Sar

t-T

ilm

anB

5

Bel

gium

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

1

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pla

ndu

cour

s

Etu

dian

tsD

EA

sans

form

atio

nen

num

ériq

ue:

Jeud

is10

:30-

12:3

0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

2

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pla

ndu

cour

s

Etu

dian

tsav

ecfo

rmat

ion

ennu

mér

ique

:M

ercr

edis

14:0

0-16

:00

•24

/9H

isto

rique

mod

élis

atio

n,ra

ppel

sco

ncep

tsm

athé

mat

ique

sde

base

•25

/9C

once

ptde

"lois

deco

nser

vatio

n","

volu

mes

deco

ntrô

lefin

is"

•1/

10E

q.di

ffére

ntie

lles

ordi

naire

s,di

scré

tisat

ions

,tro

ncat

ure,

stiff

ness

•8/

10E

q.au

xdé

rivée

spa

rtie

lles,

stab

ilité

,con

verg

ence

,dis

pers

ion,

prop

agat

ion

•Ty

ped’

erre

urs

etle

urqu

antifi

catio

n

•D

iscr

étis

atio

nde

proc

essu

soc

éano

grap

hiqu

es,C

orio

lis,d

iffus

ion

•15

/10

Con

cept

sde

grill

esdé

cent

rées

•A

liasi

ng

•22

/10

Adv

ectio

n

•29

/10

Trai

tem

entd

ela

pres

sion

,equ

atio

nsde

pois

son,

mod

e-sp

littin

g

•5/

11C

hang

emen

tsde

coor

donn

ées

•12

/11

Mét

hode

sLa

gran

gien

nes

•19

/11

Out

ilsd’

anal

yse

deré

sulta

ts

•26

/11

Pas

frac

tionn

aire

set

autr

esm

étho

des

•3/

12A

ssim

ilatio

net

Dis

trib

utio

ndu

trav

ail

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

3

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Nav

igat

ion

dans

ledo

cum

ente

tdan

sle

WW

W

•J

:Ta

ble

des

mat

ière

s

•J

:P

age

+1

•I

:P

age

-1

•⇐

:P

age

préc

éden

te

•⇒

:P

age

suiv

ante

:P

lein

écra

n/fe

nêtr

e

•http://modb.oce.ulg.ac.be

:ur

lext

érie

ur

•U

nlie

n:

liens

séle

ctio

nnab

les

•eq

uatio

n(3

12)

etfig

ure

305:

renv

oiet

lien

avec

une

equa

tion/

figur

e

1:

unco

pyrig

htd’

imag

estr

ouvé

essu

rle

WW

W

•C

erta

ines

imag

esso

ntde

san

imat

ions

quis

em

ette

nten

rout

equ

and

onle

ssé

lect

ionn

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

4

Page 2: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

e

•1h

-1h3

0de

cour

sth

éoriq

ue+

prép

arat

ion/

disc

ussi

onde

str

avau

xen

grou

pe

•E

xam

enéc

rit60

%:

rem

ise

d’un

rapp

orts

urle

trav

aile

tdé

fens

eor

ale

•E

xam

enor

al40

%(u

nequ

estio

npa

rmiu

nelis

te)

•B

onus

pour

ladé

tect

ion

d’er

reur

sda

nsle

sno

tes

deco

urs

•Q

uest

ions

sipo

ssib

les

via

emai

l mai

lto:J

M.B

ecke

rs@

ulg.

ac.b

e

•In

form

atio

nset

supp

orts

sont

disp

onib

les

via

http

://m

odb.

oce.

ulg.

ac.b

e/co

urse

s.ht

ml

•Le

s⊕

com

men

taires

additio

nnel

s⊕so

ntdo

nnés

àtit

reill

ustr

atif

etne

font

pas

part

iede

lam

atiè

redu

cour

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

5

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Intro

duct

ion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

6

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Obj

ectif

sdu

cour

s

Pou

voir

appr

éhen

der

cequ

idiff

éren

cie

des

mod

èles

etan

alys

erde

faço

ncr

itiqu

ede

sré

sulta

tsde

sim

ulat

ions

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

7

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rés

ulta

tsde

mod

èles

GH

ER

: m

arc

h ,

ve

loci

ty

-9.2

5-6

.25

-3.2

5-0

.25

2.7

5 5

.75

8.7

5 1

1.7

5 1

4.7

5 1

7.7

5 2

0.7

5 2

3.7

5 2

6.7

5 2

9.7

5 3

2.7

5 3

5.7

5

Lo

ng

itud

e

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

Latitude

Re

fere

nce

ve

loci

ty .1

00

m

/sD

ep

th: 1

0 m

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

8

Page 3: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rés

ulta

tsde

mod

èles

:P

OM

UA

: m

arc

h ,

ve

loci

ty

-9.2

5-6

.25

-3.2

5-0

.25

2.7

5 5

.75

8.7

5 1

1.7

5 1

4.7

5 1

7.7

5 2

0.7

5 2

3.7

5 2

6.7

5 2

9.7

5 3

2.7

5 3

5.7

5

Lo

ng

itud

e

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

Latitude

Re

fere

nce

ve

loci

ty .1

00

m

/sD

ep

th: 1

0 m

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

9

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rés

ulta

tsde

mod

èles

Med

iterr

anea

n S

ea G

HE

R :

mar

. , T

empe

ratu

re fi

eld

-9.2

5-6

.25

-3.2

5-0

.25

2.7

5 5

.75

8.7

5 1

1.75

14.

75 1

7.75

20.

75 2

3.75

26.

75 2

9.75

32.

75 3

5.75

Long

itude

30.

25

32.

25

34.

25

36.

25

38.

25

40.

25

42.

25

44.

25

Latitude

ME

DM

EX

Dep

th:

10

m

SC

ALE

12 1

5.87

5 1

9.75

0 2

3.62

5 2

7.50

0J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.10

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

His

toriq

uede

lam

odél

isat

ion

atm

osph

ériq

ueet

océa

nogr

aphi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

11

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

His

toire

•C

onna

issa

nces

théo

rique

s

•R

ésea

uxde

mes

ures

•C

rois

sanc

ede

spo

ssib

ilité

sin

form

atiq

ues

etnu

mér

ique

s

Ava

nt19

00,m

étéo

rolo

gie

etoc

éano

grap

hie

esse

ntie

llem

ent

desc

riptiv

esA

uX

Xsi

ècle

:m

odél

isat

ion

devi

entu

nebr

anch

ede

laph

ysiq

uem

athé

mat

ique

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

12

Page 4: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Les

prem

iers

mod

èles

conc

eptu

els

•19

04B

jerk

nes:

prév

oir

lete

mps

àpa

rtir

deco

nditi

ons

initi

ales

etde

lois

phys

ique

s

•19

08P

oinc

aré:

diffi

culté

slié

esau

xno

n-lin

éarit

és,n

otio

nde

fenê

tre

spec

tral

e

•19

14B

jerk

nes:

iden

tifica

tion

dupr

oblè

me

prat

ique

duca

lcul

num

ériq

ue

•19

22R

icha

rdso

n:si

mpl

ifica

tion

dupr

oblè

me

mat

hém

atiq

uepa

rap

prox

imat

ions

phys

ique

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

13

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lem

odèl

ede

Ric

hard

son,

1922

Pre

mie

rm

odèl

ede

circ

ulat

ion

num

ériq

uefo

rmul

éex

plic

item

ent:

évol

utio

nde

2co

lonn

esd’

air

par

des

mes

ures

duve

ntet

appl

icat

ion

dela

loid

eco

nser

vatio

nde

lam

asse

.C

alcu

làla

mai

n,1

Flo

psa.

Imag

inat

ion

d’un

syst

ème

deca

lcul

hum

ain

(640

00pe

rson

nes)

auto

mat

isé

etpa

rallè

le.

aFlo

atin

gpoi

nt

oper

atio

ns

per

seco

nd

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

14

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cita

tion,

Ric

hard

son

1922

Ilm

’afa

lluun

ebo

nne

part

iede

six

sem

aine

spo

urre

mpl

irle

sfo

rmul

aire

sde

calc

ulet

étab

lirla

nouv

elle

dist

ribut

ion

dans

deux

colo

nnes

vert

ical

es,p

our

lapr

emiè

refo

is.

Mon

bure

auét

aitu

nta

sde

foin

dans

unfr

oid

cant

onne

men

ten

retr

ait.

Ave

cde

l’ent

raîn

emen

t,le

trav

aild

’un

calc

ulat

eur

moy

enpo

urra

ital

ler

sans

dout

edi

xfo

ispl

usvi

te.

Ave

cun

pas

dete

mps

detr

ois

heur

es,a

lors

tren

te-d

eux

pers

onne

spo

urra

ient

calc

uler

exac

tem

entd

eux

poin

tsde

faço

avan

cer

àla

mêm

evi

tess

equ

ele

tem

ps,

sans

teni

rco

mpt

edu

très

gran

dga

inde

vite

sse

que

l’on

cons

tate

inva

riabl

emen

tqua

ndun

eop

érat

ion

com

plex

ees

tdiv

isée

enpa

rtie

spl

ussi

mpl

es,s

urle

sque

lles

des

indi

vidu

sse

spéc

ialis

ent.

Sil

esdi

men

sion

sde

sca

rrea

uxde

l’éch

iqui

erso

ntde

200

kilo

mèt

res

sur

l’hor

izon

tale

,ily

aura

it3

200

colo

nnes

sur

laTe

rre

entiè

re.

Com

me

dans

les

régi

ons

trop

ical

esle

tem

pses

tsou

vent

conn

l’ava

nce,

onpe

utco

nsid

érer

qu’il

ya

200

0co

lonn

esac

tives

.D

ece

ttefa

çon,

32x

200

0=

6400

0ca

lcul

ateu

rsse

raie

ntné

cess

aire

spo

urfa

irela

cour

seav

ecle

tem

pssu

rla

Terr

een

tière

.C

’est

unno

mbr

epl

utôt

cons

idér

able

.S

ans

dout

e,da

nsqu

elqu

esan

nées

,ser

a-t-

ilpo

ssib

lede

sim

plifi

erle

sché

ma

deca

lcul

.M

ais,

deto

ute

faço

n,l’o

rgan

isat

ion

quie

stpr

opos

éees

tcel

led’

une

fabr

ique

depr

évis

ions

cent

ralis

éepo

url’e

nsem

ble

dela

Terr

e,ou

pour

des

part

ies

limité

espa

rde

sfr

ontiè

res

oùle

tem

pses

tinv

aria

ble,

avec

des

calc

ulat

eurs

hum

ains

spéc

ialis

éssu

rde

séq

uatio

nsdi

ffére

ntes

.E

spér

ons

pour

eux

qu’il

sse

ront

régu

lière

men

taf

fect

ésà

deno

uvel

les

opér

atio

ns.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

15

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cita

tion,

Ric

hard

son

1922

Apr

èsun

rais

onne

men

taus

sidi

ffici

le,o

npe

utsa

nsdo

ute

avoi

run

peu

defa

ntai

sie.

Imag

inon

sun

imm

ense

hall

enfo

rme

deth

éâtr

e,sa

ufqu

ele

sga

lerie

set

balc

ons

yfe

raie

ntun

tour

com

plet

,occ

upan

tain

sila

plac

edé

volu

lasc

ène.

Les

mur

sde

cet

espa

cese

raie

ntpe

ints

pour

repr

ésen

ter

une

cart

ede

laTe

rre.

Lepl

afon

dre

prés

ente

rait

les

régi

ons

pola

ires

sept

entr

iona

les,

l’Ang

lete

rre

sera

itda

nsle

sba

lcon

s,le

str

opiq

ues

dans

les

baig

noire

sdu

haut

,l’A

ustr

alie

auni

veau

des

corb

eille

set

l’Ant

arct

ique

dans

lafo

sse.

Une

myr

iade

deca

lcul

ateu

rshu

mai

nsso

ntau

trav

ails

urle

tem

psde

lapa

rtie

dela

cart

eoù

ilssi

ègen

t,m

ais

chac

unne

s’oc

cupe

que

d’un

eéq

uatio

nou

d’un

epa

rtie

d’éq

uatio

n.Le

trav

aild

ech

aque

régi

ones

tcoo

rdon

népa

run

empl

oyé

deha

utra

ng.

De

nom

breu

xpe

tits

tabl

eaux

affic

hent

les

vale

urs

inst

anta

nées

defa

çon

àce

que

les

calc

ulat

eurs

vois

ins

puis

sent

les

lire.

Cha

que

nom

bre

esta

insi

affic

héda

nstr

ois

nive

aux

adja

cent

s,de

faço

mai

nten

irle

sco

mm

unic

atio

nsav

ecle

Nor

det

leS

udsu

rla

cart

e.D

upl

anch

erde

lafo

sse

s’él

ève

une

haut

eto

urqu

iatte

intl

am

oitié

dela

haut

eur

duth

éâtr

e.E

llepo

rte

une

chai

resu

rso

nso

mm

et:

lere

spon

sabl

ede

l’ens

embl

ey

esta

ssis

,en

tour

éde

plus

ieur

sas

sist

ants

etm

essa

gers

.U

nede

ses

tâch

esco

nsis

teà

mai

nten

irun

evi

tess

ede

prog

ress

ion

cons

tant

eda

nsto

utes

les

part

ies

dugl

obe.

De

cepo

intd

evu

e,il

ress

embl

eau

chef

d’un

orch

estr

edo

ntle

sin

stru

men

tsse

raie

ntde

srè

gles

àca

lcul

etde

sm

achi

nes

àca

lcul

er.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

16

Page 5: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cita

tion,

Ric

hard

son

1922

Mai

sau

lieu

d’ag

iter

une

bagu

ette

,ilp

oint

eun

rayo

nlu

min

eux

rose

endi

rect

ion

des

régi

ons

enav

ance

sur

les

autr

eset

unra

yon

bleu

vers

celle

squ

ison

tàla

traî

ne.

Qua

tre

empl

oyés

deha

utni

veau

colle

cten

tle

tem

psau

fur

età

mes

ure

qu’il

estc

alcu

lé,e

tl’e

xpéd

ient

àl’a

ide

d’un

em

essa

gerie

pneu

mat

ique

vers

une

salle

calm

e.D

elà

,ils

era

codé

etté

léph

oné

vers

last

atio

nd’

émis

sion

radi

o.D

esm

essa

gers

tran

spor

tent

les

pile

sde

form

ulai

res

deca

lcul

usag

ésve

rsun

loca

ld’a

rchi

vage

auso

us-s

ol.

Dan

sun

bâtim

ent

vois

in,u

nse

rvic

ede

rech

erch

ees

tins

tallé

quii

nven

tede

sam

élio

ratio

ns.

Mai

sil

est

néce

ssai

rede

faire

des

essa

isà

petit

eéc

helle

avan

tde

proc

éder

àde

sch

ange

men

tsda

nsle

sal

gorit

hmes

utili

sés

dans

leth

éâtr

ede

calc

ul.

Dan

sle

sous

-sol

,un

enth

ousi

aste

pass

eso

nte

mps

àob

serv

erde

sto

urbi

llons

dans

leliq

uide

quir

empl

itun

bass

inen

rota

tion,

mai

sju

squ’

àpr

ésen

tla

mét

hode

num

ériq

uedo

nne

dem

eille

urs

résu

ltats

.D

ans

unau

tre

bâtim

ents

onti

nsta

llés

les

serv

ices

finan

cier

s,co

urrie

ret

adm

inis

trat

ifha

bitu

els.

Àl’e

xtér

ieur

setr

ouve

ntde

ste

rrai

nsde

jeux

,des

habi

tatio

ns,d

esm

onta

gnes

etde

sla

cs,c

aron

ape

nsé

que

ceux

quic

alcu

lent

lete

mps

devr

aien

tpou

voir

lere

spire

rlib

rem

ent.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

17

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

ariti

onde

calc

ulat

eurs

élec

troni

ques

•19

46E

NIA

C(E

lect

roni

cN

umer

ator

Inte

grat

orA

naly

ser

and

Com

pute

r),5

00F

lops

•V

onN

eum

ann

prop

ose

d’ut

ilise

rce

ttem

achi

nepo

urle

spr

évis

ions

mét

éoro

logi

ques

•19

49m

odèl

eba

rotr

ope

deC

harn

ey

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

18

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Am

élio

ratio

nde

spe

rform

ance

s

•19

55m

odèl

eba

rocl

ine

deC

harn

eysu

rIB

M70

1(1

0000

Flo

ps)

•M

ais

jusq

u’en

1962

c’es

tle

mod

èle

baro

trop

equ

ifai

tles

prév

isio

nssu

r3

jour

s(3

2x

23po

ints

deca

lcul

)

•Id

entifi

catio

nde

spr

oblè

mes

d’in

stab

ilité

snu

mér

ique

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

19

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Nou

veau

xco

ncep

tspa

rle

sm

odèl

es

•19

56P

hilli

ps:

vérifi

catio

nsnu

mér

ique

sde

valid

itéd’

hypo

thès

esph

ysiq

ues

sim

plifi

catr

ices

:M

odèl

equ

asi-g

éost

roph

ique

non-

linéa

irevé

rifian

tqu’

unm

odèl

ean

alyt

ique

linéa

irees

tval

able

dans

une

plag

ede

para

mèt

res

donn

ée

•In

stab

ilité

snu

mér

ique

slin

éaire

set

non-

linéa

ires

•D

ébat

ssu

rle

sav

anta

ges

des

sché

mas

robu

stes

vs.

sché

mas

préc

is

•19

66A

raka

wa:

disc

rétis

atio

nsco

nser

vant

des

prop

riété

sno

n-lin

éaire

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

20

Page 6: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

ariti

onde

mod

èles

océa

nogr

aphi

ques

•19

63B

ryan

:m

odèl

eba

rotr

ope

•19

69B

ryan

:m

odèl

eba

rocl

ine

incl

uant

effe

tsto

pogr

aphi

ques

etfe

rmet

ure

turb

ulen

te

•E

nm

étéo

rolo

gie,

les

mod

èles

aux

équa

tions

prim

itive

s3D

exis

tent

depu

is19

63(S

mag

orin

sky)

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

21

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Etd

epui

s?

•Le

mod

èle

deB

ryan

(GF

DL,

MO

M)

estp

resq

uein

chan

géet

rest

ele

plus

utili

•Le

sno

uvea

uxdé

velo

ppem

ents

vien

nent

géné

rale

men

tdes

mod

èles

mét

éoro

logi

ques

(ass

imila

tion,

ferm

etur

es,m

étho

des

spec

tral

es,s

emi-l

agra

ngie

nnes

)

•R

efai

reco

mpl

ètem

entu

nm

odèl

ees

tun

inve

stis

sem

ent

maj

eur

•A

jout

sau

xm

odèl

es:

Ass

imila

tion

dedo

nnée

s,m

eille

urs

sché

mas

num

ériq

ues,

ferm

etur

espl

usco

mpl

exes J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.22

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Res

sour

ces

disp

onib

les

•A

ugm

enta

tion

des

ress

ourc

esin

form

atiq

ues

surt

outu

tilis

éepo

uras

sure

rde

sré

solu

tions

plus

fines

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

23

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pui

ssan

ces

deca

lcul

•C

rois

sanc

eex

pone

ntie

lle:

Loid

eM

oore

:do

uble

men

tdes

capa

cité

sto

usle

s18

moi

s.

•Le

PC

bana

lde

2001

étai

tle

supe

rord

inat

eur

cout

ant1

ME

uro

en19

92.

•A

ujou

rd’h

ui1G

igafl

op/p

roce

sseu

r,1G

bR

am/p

roce

sseu

r

•Li

mita

tions

àpr

évoi

r??

1GH

ertz

limite

dist

ance

30cm

(vite

sse

dela

lum

ière

)?

Traç

age

des

circ

uits

par

rayo

nslu

min

eux

limité

spa

rlo

ngeu

rd’

onde

duvi

sibl

e?

Ech

auffe

men

ts

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

24

Page 7: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Arc

hite

ctur

esno

uvel

les

•S

ISD

sing

lein

stru

ctio

n,si

ngle

data

:pr

oces

seur

clas

siqu

e

•S

IMD

sing

lein

stru

ctio

n,m

ultip

leda

ta:

proc

esse

urve

ctor

iel

•M

IMD

mul

tiple

inst

ruct

ion,

mul

tiple

data

:pr

oces

seur

para

llèle

?m

émoi

repa

rtag

ée:

typi

quem

ent1

6pr

oces

seur

sex

ploi

tés

effic

acem

ent(

sem

i-aut

omat

ique

)?

mém

oire

dist

ribué

e:m

assi

vem

entp

aral

lèle

mai

sre

coda

ge(1

024

proc

esse

urs)

Pro

gram

mat

ion

touj

ours

enF

OR

TR

AN

...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

25

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rap

pels

conc

epts

mat

hém

atiq

ues

deba

se

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

26

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ladé

rivée

f′ (x)

d’un

efo

nctio

nf(x

)

f′ (

x)

=df

dx≡

lim

∆x→

0

f(x

+∆

x)−

f(x

)

∆x

6

-x

f(x

)

x+

∆x

f(x

+∆

x)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

27

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ladé

rivée

f′ (x)

d’un

efo

nctio

nf(x

)

f′ (

x)

=df

dx≡

lim

∆x→

0

f(x

+∆

x)−

f(x

)

∆x

6

-x

f(x

)

x+

∆x

f(x

+∆

x)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

28

Page 8: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dér

ivée

spa

rtie

lles

Pou

run

efo

nctio

nf(x

,y,z

,...)

depl

usie

urs

varia

bles

indé

pend

ante

sx,y

,z...,

onno

te

∂f

∂x≡

lim

∆x→

0

f(x

+∆

x,y

,z,.

..)−

f(x

,y,z

,...)

∆x

-2

-1

01

2-3

-2

-10123

xx+dx

-2

-1

12

1234

P.S

.Dan

sla

litté

ratu

re,d

’aut

res

nota

tions

exis

tent

∂f

∂x

=∂

xf

=f

x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

29

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dér

ivée

mat

érie

lle=

dériv

éeto

tale

Soi

ttle

tem

pset

x,y

deux

coor

donn

ées

spat

iale

s.S

if=

f(t

,x,y

),∂

f∂

tdé

crit

com

men

tpou

rx,y

fixé,

lafo

nctio

nva

riequ

and

tes

tm

odifi

é(d

ériv

éeE

uler

ienn

e).

Au

lieu

deco

nsid

érer

x,y

fixe,

onpe

utau

ssis

edé

plac

erda

nsl’e

spac

ex,y

enfo

nctio

ndu

tem

ps:

ledé

plac

emen

test

alor

sca

ract

éris

épa

r(x(t

),y(t

)):

6

-ºe

y

ex

(x(t

),y(t

))

(x(t

+∆

t),y

(t+

∆t)

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

30

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dér

ivée

mat

érie

lle=

dériv

éede

fonc

tion

com

posé

e

En

dési

gnan

tpar

df dt

lava

riatio

nde

lafo

nctio

nf

lors

qu’o

nsu

itla

traj

ecto

ire,o

nob

tient

par

leth

éorè

me

dedé

rivat

ion

defo

nctio

nsco

mpo

sées

:df dt

=∂f ∂t

+∂f

∂x

∂x ∂t

+∂f

∂y

∂y

∂t

Mai

sco

mm

ex,y

nedé

pend

entq

uedu

tem

ps,n

ous

obte

nons

df dt

=∂f ∂t

+∂f

∂x

dx dt

+∂f

∂y

dy dt

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

31

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

mps

d’ad

vect

ion

dx dt

=u

dy dt

=v

sont

les

com

posa

ntes

duve

cteu

rvi

tess

edu

dépl

acem

ent.

6

-ºe

y

ex

(x(t

),y(t

))

(x(t

+∆

t),y

(t+

∆t)

)

:

- (u,v

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

32

Page 9: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dér

ivée

mat

érie

lle=

dériv

éeLa

gran

gien

ne

df dt

=∂f ∂t

︸︷︷︸

+u

∂f

∂x

+v∂f

∂y

•d

f dt:

dériv

éeto

tale

,dér

ivée

mat

érie

lle,d

ériv

éeLa

gran

gien

ne

•︸

︷︷

︸:

dériv

éelo

cale

,dér

ivée

Eul

érie

nne

•:

adve

ctio

n,co

nvec

tion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

33

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Les

mod

èles

clas

sés

selo

nle

sco

ordo

nnée

s

•le

tem

pst

ettr

ois

coor

donn

ées

spat

iale

sx,y

,z:

mod

èle

3D(p

arfo

isap

pelé

4D)

•tr

ois

coor

donn

ées

spat

iale

sx,y

,z:

mod

èle

3Dst

atio

nnai

re

•le

tem

pset

deux

coor

donn

ées

spat

iale

s(s

oit2

Dho

rizon

tal

x,y

,soi

t2D

vert

ical

x,z

):m

odèl

e2D

(ex.

mod

èles

mar

ées,

mod

èles

estu

aire

s)

•le

tem

pst

etla

vert

ical

ez:

mod

èle

1D(e

x.m

odèl

esco

uche

dem

élan

ge)

•le

tem

pst

sans

coor

donn

éesp

atia

le:

mod

èle

0Dou

mod

èle

boîte

(ex.

écos

ystè

mes

enla

bora

toire

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

34

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Diff

éren

cefin

ie

•D

iffér

ence

finie

:au

lieu

defa

irete

ndre

∆x→

0po

urle

calc

uld’

une

dériv

ée,o

nga

rde

une

vale

urfin

ie.

•R

aiso

n:le

sm

odèl

esne

perm

ette

ntpa

sde

calc

uler

des

fonc

tions

quel

conq

ues

(un

nom

bre

infin

ide

degr

ésde

liber

té)

mai

sse

ulem

entu

nno

mbr

efin

ide

vale

urs.

(xi,f

i)

6

- x

f(x

)

xi

f(x

i)

=f

i

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

35

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Un

"pet

it"in

crém

ent

∆x

?

Sif

=O

(F)

etsi

ladé

rivée

réel

led

f

dx

=O

(F L

),a

lors

ondo

itav

oir

∆x¿

L,s

inon

une

diffé

renc

efin

iese

raun

em

auva

ise

appr

oxim

atio

nde

lavr

aie

dériv

ée(v

oir

série

deTa

ylor

)

-

6-

¾L

x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

36

Page 10: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

rcic

es

1.E

tudi

erco

mm

ents

eco

mpo

rte

une

diffé

renc

efin

iepo

urle

sfo

nctio

ns

•f(x

)=

x

•f(x

)=

x2

•f(x

)=

sin(x

)

•f(x

)=

sin(1

0x)

•f(x

)=

e−|x

|

•f(x

)=

e−x

enx

=0

pour

diffé

rent

esva

leur

sde

∆x

(-1,

-0.1

,-0.

01,-

0.00

1,-0

.000

1,0.

0001

,0.

001,

0.1,

1)et

com

pare

lavr

aie

vale

urde

ladé

rivée

.

2.E

valu

erle

nom

bre

deM

Flo

psde

votr

eor

dina

teur

avec

diffé

rent

sou

tils

deca

lcul

(par

exem

ple

Turb

opas

cal,

Bas

ic,E

xcel

,Mat

lab)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

37

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Que

lque

squ

estio

nsvu

esau

cour

s

•S

uffit

-ilde

faire

des

diffé

renc

esfin

ies

"dire

ctes

"po

urav

oir

unm

odèl

enu

mér

ique

?

•C

omm

enté

vite

ret

iden

tifier

les

prob

lèm

es?

•C

omm

entv

érifi

erun

edi

scré

tisat

ion

?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

38

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lois

deco

nser

vatio

n

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

39

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

serv

atio

nde

lam

asse

en2D

6

-e

x

ey

:: - -

1

xx

+dx

y

y+

dy

3 -6

uv

ABC D

•B

ilan:

cequ

iren

tre

moi

nsce

quis

ort=

accr

oiss

emen

tnet

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

40

Page 11: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

serv

atio

nde

lam

asse

en2D

6

-e

x

ey

:: - -

1

xx

+dx

y

y+

dy

3 -6

uv

ABC D

∂ ∂t

∫∫

AB

CD

ρdxdy

=

∫B

Au(t

,x,y

)ρ(t

,x,y

)dy−

∫C

Du(t

,x+

dx,y

)ρ(t

,x+

dx,y

)dy

∫D

Av(t

,x,y

)ρ(t

,x,y

)dx−

∫C

Bv(t

,x,y

+dy)ρ

(t,x

,y+

dy)d

x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

41

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

serv

atio

nde

lam

asse

en2D

6

-e

x

ey

:: - -

1

xx

+dx

y

y+

dy

Á¸

¸¸

A

dx

dy

∂ρ

∂t

=dy

u(t

,x,y

)ρ(t

,x,y

)−

dy

u(t

,x+

dx,y

)ρ(t

,x+

dx,y

)

dx

v(t

,x,y

)ρ(t

,x,y

)−

dx

v(t

,x,y

+dy)ρ

(t,x

,y+

dy)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

42

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

serv

atio

nde

lam

asse

en2D

6

-e

x

ey

:: - -

1

xx

+dx

y

y+

dy

Á¸

¸¸

A

∂ρ

∂t

+∂(ρ

u)

∂x

+∂(ρ

v)

∂y

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

43

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roxi

mat

ion

deB

ouss

ines

q

Les

fluid

esgé

ophy

siqu

esne

sont

que

faib

lem

entc

ompr

essi

bles

(ρ0

cons

tant

=ρ0

+ρ′ ,

|ρ′ |¿

ρ0

∂ρ

∂t

+∂(ρ

u)

∂x

+∂(ρ

v)

∂y

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

44

Page 12: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roxi

mat

ion

deB

ouss

ines

q

Les

fluid

esgé

ophy

siqu

esne

sont

que

faib

lem

entc

ompr

essi

bles

:

ρ=

ρ0

+ρ′ ,

|ρ′ |¿

ρ0

∂ρ

∂t

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

+u

∂ρ

∂x

+v∂ρ

∂y

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

45

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roxi

mat

ion

deB

ouss

ines

q

Les

fluid

esgé

ophy

siqu

esne

sont

que

faib

lem

entc

ompr

essi

bles

:

ρ=

ρ0

+ρ′ ,

|ρ′ |¿

ρ0

∂ρ′

∂t

+(ρ

0+

ρ′ )

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

+u

∂ρ′

∂x

+v∂ρ′

∂y

=0 J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.46

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roxi

mat

ion

deB

ouss

ines

q

Les

fluid

esgé

ophy

siqu

esne

sont

que

faib

lem

entc

ompr

essi

bles

:

ρ=

ρ0

+ρ′ ,

|ρ′ |¿

ρ0

∂ρ′

∂t

︸︷︷︸

+(ρ

0+

ρ′ )

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

︸︷︷

+u

∂ρ′

∂x

+v∂ρ′

∂y

︸︷︷

=0

U Lρ′

¿ρ0U L

ÀU L

ρ′

oùL

etU

sont

des

éche

lles

spat

iale

set

devi

tess

es.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

47

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roxi

mat

ion

deB

ouss

ines

q

Les

fluid

esgé

ophy

siqu

esne

sont

que

faib

lem

entc

ompr

essi

bles

:

ρ=

ρ0

+ρ′ ,

|ρ′ |¿

ρ0

∂u

∂x

+∂v

∂y

=0

On

négl

ige

les

varia

tions

dede

nsité

dans

les

term

esad

vect

ifset

diffu

sifs

.A

utre

nota

tion,

∇=

ex

∂ ∂x

+e

y∂ ∂y

∇·v

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

48

Page 13: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

S

V

ρC

m

φ

ρC

v

QC

Adv

ectio

npa

rle

cour

antd

um

élan

gev

,pro

duct

ion

loca

leQ

C,

diffu

sion

φet

mig

ratio

n/sé

dim

enta

tion

m.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

49

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

•v

:ad

vect

ion

moy

enne

dum

élan

ge;p

asné

cess

aire

men

tid

entiq

ueau

mou

vem

entp

ropr

edu

com

posa

nt

•di

ffusi

onφ

:du

eau

xvi

tess

eser

ratiq

ues

auto

urde

l’éco

ulem

entm

oyen

:pa

ram

étris

atio

nan

alog

ueau

form

ulat

ions

dedi

ffusi

onm

oléc

ulai

re:φ

=−A

∇C

•m

igra

tion

m:

mou

vem

entp

ropr

eco

ordo

nné

duco

mpo

sant

par

rapp

orta

uflu

ide:

ex.

sédi

men

tatio

n,na

ge(n

églig

épa

rla

suite

mai

sfa

cile

men

tint

rodu

ite)

•ap

prox

imat

ion

deB

ouss

ines

qpo

urle

sco

mpo

sant

sbi

ochi

miq

ues:

ρ=

ρ0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

50

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

︸︷︷︸

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︸︷︷

︸:

varia

tion

loca

leda

nsle

tem

ps

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

51

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

︸︷︷

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︸︷︷

︸:

adve

ctio

nho

rizon

tale

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

52

Page 14: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

︸︷︷

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︸︷︷

︸:

adve

ctio

nve

rtic

ale

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

53

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

︸︷︷

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︸︷︷

︸:

mig

ratio

nve

rtic

ale

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

54

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=︷︸︸︷

QC

+∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︷︸︸

︷:

Sou

rce/

puits

loca

l

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

55

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

︷︸︸

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︷︸︸

︷:

Diff

usio

nho

rizon

tale

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

56

Page 15: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+

︷︸︸

∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

︷︸︸

︷:

Diff

usio

nve

rtic

ale

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

57

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Loid

’évo

lutio

npo

urun

trac

eur

en3D

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

•La

diffu

sion

vert

ical

e(c

oeffi

cien

tde

diffu

sion

ν)

ests

ouve

ntpa

ram

étris

éedi

ffére

mm

entd

ela

diffu

sion

horiz

onta

le(A

).La

mig

ratio

nes

tgén

éral

emen

tnég

ligea

ble

sauf

peut

-êtr

ese

lon

lave

rtic

ale

(wm

).E

llese

raom

ise

par

lasu

ite.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

58

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Term

e"S

ourc

es-p

uits

"

Dép

end

dutr

aceu

r.E

xem

ples

•Tr

aceu

rco

nser

vatif

(ex.

salin

ité):

QC

=0

•Tr

aceu

rra

dioa

ctif

dete

mps

dedé

croi

ssan

ceT

:Q

C=

−C T

•Te

mpé

ratu

reav

ecéc

hauf

fem

entr

adia

tifda

nsla

colo

nne

d’ea

u:Q

C=

Q0ek

z

•V

aria

ble

biol

ogiq

ueav

eclo

ilog

istiq

uesa

turé

een

C=

C∗ :

QC

=αC

(C∗−

C)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

59

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ntr

aceu

rs

On

num

érot

ele

str

aceu

rsC

i,i=

1,...,

N.

Les

sour

ces

peuv

ent

alor

sco

nten

irde

sin

tera

ctio

nsen

tre

varia

bles

.E

xem

ple:

Un

syst

ème

àde

uxva

riabl

esC

1et

C2

duty

peLo

tka-

Vol

terr

a:

QC

1=

αC

1−

βC

1C

2

QC

2=

−γC

2+

δC1C

2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

60

Page 16: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trac

eur

dyna

miq

ue:

quan

tité

dem

ouve

men

t

Lete

rme

"sou

rces

-pui

ts"

dela

quan

tité

dem

ouve

men

test

laso

mm

ede

sfo

rces

appl

iqué

es.

•la

forc

ede

grav

ité:ρg

.Ic

i,on

nepe

utpa

sre

mpl

acer

ρpa

rρ0

(voi

réq

uilib

rehy

dros

tatiq

ue)

•le

grad

ient

depr

essi

on∇

p

•le

sfo

rces

fictiv

esdu

esà

laro

tatio

nde

late

rre

(Cor

iolis

):

Λv

•le

ste

nsio

nsvi

sque

uses

mod

élis

ées

com

me

ladi

ffusi

onL’

hypo

thès

eH

/L¿

1en

traî

nel’a

ppro

xim

atio

nhy

dros

tatiq

ueve

rtic

ale

etde

ssi

mpl

ifica

tions

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

61

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Qua

ntité

dem

ouve

men

thor

izon

tale

∂u ∂t

+u

∂u

∂x

+v∂u

∂y

+w

∂u

∂z

=fv−

1 ρ0

∂p

∂x

+∂ ∂x

(

A∂u

∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂u

∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂u

∂z

)

∂v

∂t

+u

∂v

∂x

+v∂v

∂y

+w

∂v

∂z

=−

fu−

1 ρ0

∂p

∂y

+∂ ∂x

(

A∂v

∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂v

∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂v

∂z

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

62

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Qua

ntité

dem

ouve

men

tver

tical

e

L’éq

uatio

ndy

nam

ique

rédu

iteà

l’équ

ilibr

ehy

dros

tatiq

ue

1 ρ0

∂p

∂z

=−

ρ ρ0g;

→∂q

∂z

=b

enut

ilisa

ntun

epr

essi

onré

duite

q=

p ρ0

+gz

etla

pous

sée

b=

−ρ−

ρ0

ρ0

gO

nco

nsta

tequ

ela

com

posa

nte

enρ0g

n’in

terv

ient

pas

dans

lady

nam

ique

(com

me

anno

ncé

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

63

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

For

me

cons

erva

tive

∂u

∂x

+∂v

∂y

=0

dC dt

=∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

For

me

adve

ctiv

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

64

Page 17: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

For

me

cons

erva

tive

∂u

∂x

+∂v

∂y

=0

dC dt

=∂C ∂t

+∂(u

C)

∂x

+∂(v

C)

∂y

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

For

me

cons

erva

tive

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

65

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

For

me

cons

erva

tive

∂u

∂x

+∂v

∂y

=0

dC dt

=∂C ∂t

+∂(u

C)

∂x

+∂(v

C)

∂y

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

For

me

cons

erva

tive,

défin

ition

des

flux

Fet

G:

∂C ∂t

+∂F ∂x

+∂G ∂y

=Q

C

F=

uC

−A

∂C ∂x

,G

=vC

−A

∂C ∂y

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

66

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Not

ion

devo

lum

ede

cont

rôle

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

67

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

e

•E

tabl

irle

séq

uatio

nsdi

ffére

ntie

lles:

pren

dre

unvo

lum

em

athé

mat

ique

que

l’on

fait

tend

rela

taill

eve

rszé

ro

•D

iscr

étis

eren

volu

me

fini:

gard

erle

volu

me

àun

eta

ille

donn

ée

•A

ltern

ativ

emen

t:pr

endr

ele

séq

uatio

nsdi

ffére

ntie

lles

etle

sin

tégr

ersu

run

volu

me

deta

ille

finie

Ava

ntag

ede

lafo

rme

cons

erva

tive

des

équa

tions

:le

sflu

xen

tre

volu

mes

appa

rais

sent

natu

relle

men

t.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

68

Page 18: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Hyp

othè

ses

néce

ssai

res

Pro

blèm

e:on

neco

nnaî

tra

pas

last

ruct

ure

dela

solu

tion

àl’i

ntér

ieur

duvo

lum

ede

cont

rôle

mai

sse

ulem

entl

ava

leur

moy

enne

.H

ypot

hèse

faire

lors

dela

disc

rétis

atio

n:

•Le

sso

urce

slo

cale

sdo

iven

tpou

voir

s’ex

prim

eren

term

esde

vale

urs

moy

enne

ssu

rle

volu

me

•Le

sflu

xF

etG

doiv

entp

ouvo

irse

calc

uler

àl’a

ide

dela

seul

eco

nnai

ssan

cede

vale

urs

moy

enne

sda

nsle

svo

lum

esvo

isin

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

69

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Late

chni

que

dum

odél

isat

eur

Com

men

tcal

cule

rle

sva

leur

slo

cale

part

irde

laco

nnai

ssan

cede

vale

urs

moy

enne

svo

isin

espo

urpo

urvo

irob

teni

run

edi

scré

tisat

ion

nefa

isan

tapp

elqu

’aux

seul

esva

leur

sm

oyen

nes

que

l’on

veut

conn

aîtr

eet

préd

ire

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

70

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

rcic

es

•E

tabl

irla

loid

eco

nser

vatio

nde

lam

asse

en3D

.

•D

émon

trer

que

lefo

rce

deC

orio

lisne

four

nitp

asde

trav

ail

méc

aniq

ue.

•E

nsa

chan

tqu’

unte

rme

sour

cepo

urun

com

posa

ntes

tde

lafo

rme

Q=

sin(x

/L+

α),

quel

leco

ntra

inte

devr

ait-

onim

pose

rau

pas

spat

ial∆

xd’

une

disc

rétis

atio

npo

urpo

uvoi

rpr

éten

dre

repr

ésen

ter

cette

sour

ce?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

71

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nsdi

ffére

ntie

lles

ordi

naire

s J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

72

Page 19: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Not

atio

ns

•D

iscr

étis

atio

nt=

n∆

t,n

=1,

2,.

..

•La

vrai

eso

lutio

nC

(t)

=C

(n∆

t)

•A

uxm

omen

tsdi

scre

tst n

,on

note

l’app

roxi

mat

ion

dela

solu

tionC(

n∆

t)=

Cn

•N

epa

sco

nfon

dre

avec

une

puis

sanc

e...

•P

arfo

is,l

orsq

ueC

neco

mpo

rte

pas

d’in

dice

,on

sous

-ent

end

Cn

dC dt

=Q

(t,C

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

73

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Not

atio

ns

•D

iscr

étis

atio

nt=

n∆

t,n

=1,

2,.

..

•La

vrai

eso

lutio

nC

(t)

=C

(n∆

t)

•A

uxm

omen

tsdi

scre

tst n

,on

note

l’app

roxi

mat

ion

dela

solu

tionC(

n∆

t)=

Cn

6

-t

C(t

)

∆t

2∆

tn∆

tCn

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

74

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Une

équa

tion

sim

ple

Mod

èle

0Dd’

untr

aceu

rra

dioa

ctif

:

dC dt

=−

C T

Par

ladé

finiti

onde

ladé

rivée

,on

peut

obte

nir

une

vers

ion

disc

rète

C(t+

∆t)−

C(t)

∆t

=−C(

t) T

soit

Cn+

1−

Cn

∆t

=−Cn T

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

75

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Une

équa

tion

sim

ple

Mod

èle

0Dd’

untr

aceu

rra

dioa

ctif

:

dC dt

=−

C T

Par

ladé

finiti

onde

ladé

rivée

,on

peut

obte

nir

une

vers

ion

disc

rète

C(t+

∆t)−

C(t)

∆t

=−C(

t) T

soit

Cn+

1=

Cn−

∆t

TCn

=

(

1−

∆t

T

)

Cn

cequ

iper

met

leca

lcul

deCn

+1,q

uand

onco

nnaî

tCn. J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.76

Page 20: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

n

6

-

C

∆t

Cn+

1

t

Cn

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

77

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

n

6

-

C

∆t

Cn+

1

t

Cn

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

78

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Vér

ifica

tion

Cn+

1=

(

1−

∆t

T

)

Cn=

(

1−

∆t

T

)(

1−

∆t

T

)

Cn−

1

Cn=

(

1−

∆t

T

)n

C0=

(

1−

∆t

T

)t

∆t

C0

lim

∆t→

0C(

t)=

C(0)

e−t/

T=

C(t

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

79

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

d’E

uler

géné

rale

dC dt

=Q

(t,C

)

C(t+

∆t)−

C(t)

∆t

=Q

(n∆

t,Cn

)

S’il

n’y

apa

sde

conf

usio

npo

ssib

le,o

nno

teQ

n=

Q(n

∆t,Cn

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

80

Page 21: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

d’E

uler

géné

rale

dC dt

=Q

(t,C

)

Cn+

1=

Cn+

∆tQ

n

Mét

hode

expl

icite

(forw

ard

diff

eren

cing)

:ca

lcul

dire

ctde

Cn+

part

irde

laco

nnai

ssan

cede

Cn.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

81

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Fin

dela

leço

n

Sug

gest

ion

pour

lale

çon

suiv

ante

:

•A

naly

ser

leco

mpo

rtem

entd

ela

mét

hode

d’E

uler

sur

untr

aceu

rra

dioa

ctif

avec

diffé

rent

esva

leur

sde

∆t

Tet

com

pare

laso

lutio

nan

alyt

ique

.

•In

terp

réte

rce

quis

epa

sse,

quan

d∆

t>

T

•E

tudi

erco

mm

entl

’err

eur

dim

inue

quan

don

dim

inue

∆t.

•C

once

voir

lesc

hém

ad’

Eul

erpo

urun

syst

ème

deLo

tka-

Vol

terr

a

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

82

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Défi

nitio

nde

O(∆

t)

f(t

)=

g(t

)+O

(∆t)

lim

∆t→

0(f

(t)−

g(t

))=

0,lim

∆t→

0

f(t

)−

g(t

)

∆t

6=±∞

,

On

ditq

uele

sfo

nctio

nsf(t

)et

g(t

)so

ntéq

uiva

lent

esà

∆t

près

lors

que

leur

diffé

renc

ete

ndve

rszé

roau

moi

nsau

ssir

apid

emen

tqu

e∆

t.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

83

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

detro

ncat

ure

Ana

lyse

basé

esu

run

déve

lopp

emen

ten

série

deTa

ylor

:

C(t

+∆

t)=

C(t

)+

∆td

C dt

+∆

t2 2

d2C

dt2

+∆

t3 6

d3C

dt3

+O

(∆

t4)

Ils’

ensu

itqu

’une

dériv

éepe

utêt

reap

proc

hée

com

me

suit

dC dt

=C

(t+

∆t)−

C(t

)

∆t

+O

(∆t)

etl’o

ndi

tque

cette

appr

oxim

atio

nes

tdu

prem

ier

ordr

e(e

rreu

rlin

éaire

en∆

t)et

cons

titue

une

dériv

éeav

ant(

forw

ard

diff

eren

ce).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

84

Page 22: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

detro

ncat

ure

Sér

iede

Tayl

oren

arriè

re:

C(t−

∆t)

=C

(t)−

∆td

C dt

+∆

t2 2

d2C

dt2

−∆

t3 6

d3C

dt3

+O

(∆

t4)

App

roxi

mat

ion

dela

dériv

éenu

mér

ique

arriè

re:

dC dt

=C

(t)−

C(t−

∆t)

∆t

+O

(∆t)

En

com

bina

ntav

ecla

série

deTa

ylor

ent+

∆t:

dC dt

=C

(t+

∆t)−

C(t−

∆t)

2∆t

+O

(∆t2

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

85

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sér

iede

Tayl

orno

n-di

men

sion

elle

Lors

que

l’on

affir

me

que

les

term

esen

∆t2

sont

plus

petit

squ

ele

ste

rmes

en∆

t,on

pour

rait

croi

requ

ece

lane

sera

pas

leca

ssi

∆t

aun

eva

leur

donn

ée(d

ison

s1

heur

e).

SiC

(t)

varie

typi

quem

entd

eC

∗su

rde

séc

helle

sde

tem

psT

,on

peut

rend

rele

déve

lopp

emen

tno

n-di

men

sion

elC

(t)

=C

∗ f(τ

),τ

=t/

T,

∆τ

=∆

t/T

:

f(τ

+∆

τ)

=f(τ

)+

∆τ

df

+∆

τ2

2

d2f

2+

∆τ

3

6

d3f

3+O

(∆

τ4)

Par

cons

truc

tion

dnf/d

τn

=O

(1)

etaf

firm

erqu

e∆

tes

tpet

itre

vien

dire

∆t¿

T(v

oir

auss

iint

erpr

état

ion)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

86

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sér

iede

Tayl

or:

exem

ple

f(x

)=

sin

xe−

x/10∼

0.7

6139

+0.

4127

46(−

1+

x)

−0.4

2578

(−1

+x)2

−0.0

4109

(−1

+x)3

+0.

0378

9(−

1+

x)4

auto

urde

x=

1. -3

-2

-1

12

34

5

-3

-2

-1123

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

87

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

detro

ncat

ure

Com

men

tcar

acté

riser

ladi

ffére

nce

entr

ele

séq

uatio

nsan

alyt

ique

set

disc

rète

s?S

il’o

nco

nnai

ssai

tla

fonc

tion

cont

inue

C(t

),an

alys

erco

mm

ente

llevé

rifier

aitl

’équ

atio

ndi

scrè

te:

C(t

+∆

t)−

C(t

)

∆t

=Q

(n∆

t,C

(t))

En

utili

sant

Tayl

or,o

nré

soud

enré

alité

dC dt

+∆

t 2

d2C

dt2

+∆

t2 6

d3C

dt3

+O

(∆

t3)

=Q

(t,C

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

88

Page 23: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

detro

ncat

ure

On

réso

uddo

ncdC dt

=Q

(t,C

)+O

(∆t)

etla

mét

hode

d’E

uler

estd

ite"d

upr

emie

ror

dre.

"O

nes

père

alor

squ

ela

diffé

renc

een

treC

etC

seco

mpo

rte

auss

ien

∆t,

deso

rte

que

sil’o

ndi

vise

par

deux

lepa

sde

tem

ps,o

ndi

vise

par

deux

l’err

eur

aum

ême

inst

antt

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

89

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

sist

ence

Un

sché

ma

est

cons

iste

nt(o

uco

mpa

tible

)lo

rsqu

el’é

quat

ion

disc

rète

tend

vers

l’équ

atio

nan

alyt

ique

dans

l’hyp

othè

sequ

ele

spa

ssp

atia

uxet

tem

pore

lste

nden

tve

rszé

rode

man

ière

indé

pend

ante

pour

laso

lutio

nC

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

90

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

verg

ence

Un

sché

ma

conv

erge

quan

dla

solu

tion

del’é

quat

ion

disc

rète

tend

vers

laso

lutio

nde

l’équ

atio

nan

alyt

ique

lim

∆t→

0C(

t)=

C(t

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

91

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sta

bilit

é

Un

sché

ma

est

stab

lequ

and

des

pert

urba

tions

ne

s’am

plifi

entp

asde

faço

nsy

stém

atiq

ue.

•P

our

unpr

oces

sus

sans

mod

ecr

oiss

ant,

form

ulat

ion

rest

rictiv

ede

last

abili

ténu

mér

ique

:

‖Cn‖≤

‖C0‖

•S

ila

solu

tion

phys

ique

perm

etun

ecr

oiss

ance

phys

ique

men

tacc

epta

ble,

last

abili

ténu

mér

ique

nede

vrai

t

pas

être

plus

expl

osiv

e:

∃α,∀

n∆

t<

t max

:‖Cn

‖≤α‖C

0‖ J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.92

Page 24: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Thé

orem

ed’

équi

vale

nce

•La

cons

iste

nce

(ou

com

patib

ilité

)es

trel

ativ

emen

tfac

ilem

ent

dém

ontr

éepa

rde

sdé

velo

ppem

ents

ensé

rie;

•La

dém

onst

ratio

ndi

rect

ede

laco

nver

genc

esa

nsco

nnai

tre

laso

lutio

nex

acte

estd

iffici

le

•C

’est

laco

nver

genc

equ

iest

inté

ress

ante

Un

sché

ma

linéa

ireco

nsis

tent

quie

stst

able

conv

erge

En

anal

ysan

tla

stab

ilité

d’un

sché

ma

linéa

risé,

ones

père

vérifi

erla

conv

erge

nce

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

93

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Etu

des

dest

abili

•P

our

des

équa

tions

diffé

rent

ielle

sor

dina

ires

sur

des

équa

tions

"typ

es"

•P

our

des

équa

tions

diffé

rent

ielle

sau

xdé

rivée

spa

rtie

lles

sur

des

vers

ions

linéa

ires:

mét

hode

deV

onN

eum

ann

•P

our

des

équa

tions

diffé

rent

ielle

sau

xdé

rivée

spa

rtie

lles

non-

linéa

ires:

mét

hode

sén

ergé

tique

s

•La

mét

hode

del’é

quat

ion

équi

vale

nte

dem

ande

une

conn

aiss

ance

phys

ique

prof

onde

•E

npr

atiq

ue:

souv

ento

nes

saie

...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

94

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

deVo

nN

eum

ann

Sil

’on

arriv

expr

imer

ladi

scré

tisat

ion

sous

lafo

rme

suiv

ante

:

Cn+

1=

ρCn

oùρ

esta

ppel

éle

fact

eur

d’am

plifi

catio

n(c

ompl

exe)

dusc

hém

a.

•S

tabi

lité

rest

rictiv

e(r

eten

ueda

nsla

suite

):

|ρ|≤

1

•S

tabi

lité

acce

ptan

tune

croi

ssan

ceph

ysiq

ue:

|ρ|≤

1+

O(∆

t)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

95

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

deVo

nN

eum

ann:

exem

ple

Lesc

hém

ad’

Eul

erap

pliq

uéà

unte

rme

puits

−C T

:

Cn+

1=

(

1−

∆t

T

)

Cn

On

sait

que

dans

ceca

sla

solu

tion

n’es

tpas

croi

ssan

teet

l’on

impo

sela

cond

ition

dest

abili

téfo

rte|ρ|≤

1:

∣ ∣ ∣ ∣1−

∆t

T

∣ ∣ ∣ ∣≤

1→

∆t≤

2T

ensu

ppos

ant∆

t>

0,

T>

0.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

96

Page 25: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Illus

trat

ion

del’i

nsta

bilit

é

510

15

20

25

30

0.2

0.4

0.6

0.8

C(τ)/

C(τ

)po

ur∆

τ=

0.00

1(r

ouge

),∆

τ=

0.01

(ver

t),∆

τ=

0.1

(ble

u),

τ=

t/T

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

97

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Illus

trat

ion

del’i

nsta

bilit

é

510

15

20

25

30

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0.25

0.5

0.751

510

15

20

25

30

-100000

-75000

-50000

-25000

25000

50000

75000

100000

C(τ)/

C(τ

)po

ur∆

τ=

0.6

(rou

ge),

∆τ

=1.

2(v

ert)

,∆τ

=2.

4(b

leu)

=t/

T

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

98

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

deVo

nN

eum

ann:

Nva

riabl

es

Lagé

néra

lisat

ion

àpl

usie

urs

équa

tions

supp

ose

que

l’on

puis

sem

ettr

ela

disc

rétis

atio

nso

usla

form

e

Cn+

11 Cn+

12 ...

Cn+

1N

=

a1,1

a1,2

...

a1,N

a2,1

a1,2

...

a2,N

...

...

...

...

aN

,1a

N,2

...

aN

,N

Cn 1 Cn 2 ...

Cn N

Lam

atric

eA

form

éepa

ra

i,j

esta

ppel

éela

mat

rice

d’am

plifi

catio

n

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

99

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mat

rice

d’am

plifi

catio

n

Lam

atric

eA

poss

ède

Nva

leur

spr

opre

sρ,s

olut

ions

de

det

(A−

ρi1l)

=0,

i=

1,2,.

..,N

Laco

nditi

onde

stab

ilité

deV

onN

eum

ann

devi

entl

aco

nditi

onné

cess

aire

|ρi|≤

1

SiA

estd

iago

nalis

able

S-1

AS

=dia

g(ρ

i),a

lors

ladé

mon

stra

tion

est

imm

édia

tepu

isqu

eda

nsce

cas

An

=S

dia

g(ρ

n i)S

-1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

100

Page 26: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Etu

des

depr

oprié

tes

depr

opag

atio

n

Au-

delà

del’é

tude

dest

abili

té:

sil’o

nco

nnaî

tle

fact

eur

d’am

plifi

catio

nex

actρ

ρ∗

=C

(t+

∆t)

C(t

)

onpe

utle

com

pare

rau

fact

eur

d’am

plifi

catio

dusc

hém

a.E

ngé

néra

l,ils

sont

com

plex

eset

l’on

anal

yse

les

prop

riété

sd’

atte

nuat

ion

etle

spr

oprié

tés

depr

opag

atio

n.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

101

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Etu

des

depr

oprié

tes

depr

opag

atio

n

ρ∗

=|ρ

∗ |ei∆

θ∗

ρ=

|ρ|ei

∆θ

•r

=|ρ|

|ρ∗|

mes

ure

l’am

plifi

catio

ndu

sché

ma

par

rapp

ortà

la

réal

ité(r

>1

ampl

ifian

t,r

<1

atté

nuan

t)

•R

=∆

θ∆

θ∗

mes

ure

lavi

tess

ede

prop

agat

ion

(R>

1ac

célé

rant

,R

<1

décé

léra

nt)

ρn

=|ρ|n

ein∆

θ,

∆θ

nu

m∆

t.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

102

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Eul

erpo

urun

osci

llate

ur

Exe

mpl

ed’

unsy

stèm

eos

cilla

nt(C

estc

ompl

exe)

dC dt

=iω

C

Laso

lutio

nC

(t)

=C

(0)e

iωt

donn

e

ρ∗

=ei

ω∆

t

Lesc

hém

ad’

Eul

erex

plic

iteCn

+1

=Cn

+iω

∆tCn

donn

e

ρ=

1+

iω∆

t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

103

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Eul

erpo

urun

osci

llate

ur

r=

|ρ|=

1+

∆t2

ω2

>1

Lesc

hém

aam

plifi

e(e

test

mêm

ein

stab

le)

R=

arc

tan(∆

τ)

∆τ

,∆

τ=

ω∆

t

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.8

0.85

0.9

0.95R

Lesc

hém

adé

célè

redo

nc;p

our∆

τ¿

1,R

∼1−

∆τ

2/3

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

104

Page 27: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

émas

impl

icite

s

Lesc

hém

ad’

Eul

eres

tsim

ple

mai

sso

uven

ttro

pra

pide

men

tins

tabl

een

rais

onde

l’ext

rapl

otio

n.Id

éegé

néra

le:

éval

uerQ

dans

lefu

tur,

àsa

voir

enay

antd

éjà

une

info

rmat

ion

plus

actu

alis

ée:

C(t+

∆t)−

C(t)

∆t

=Q

(t+

∆t,C(

t+

∆t)

)

ouen

déca

lant

d’un

poin

tdan

sle

tem

ps

C(t)−

C(t−

∆t)

∆t

=Q

(t,C

(t))

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

105

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

impl

icite

enpr

atiq

ue

Pro

blèm

epr

atiq

ue:

cette

disc

rétis

atio

ndo

nne

lieu

àun

eéq

uatio

nal

gébr

ique

non-

linéa

ireen

Cn+

1:

Cn+

1=

Cn+

∆tQ

(t n

+1,C

n+

1)

=f(C

n+

1)

On

sera

(sau

fexp

ress

ion

part

icul

ière

deQ

)ob

ligé

deré

soud

rece

tteéq

uatio

npa

run

em

étho

denu

mér

ique

dere

cher

ches

dezé

ros

defo

nctio

ns(p

.ex

lam

étho

dede

New

ton-

Rap

hson

).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

106

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

New

ton-

Rap

hson

Pou

rré

soud

rele

séq

uatio

nsno

n-lin

éaire

sal

gébr

ique

sd’

unsc

hém

aim

plic

ite:

F(x

)≡

x−

f(x

)=

0

xk+

1=

xk−

F(x

k)

F′ (

xk)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

107

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

New

ton-

Rap

hson

Ne

pas

conf

ondr

el’i

ndic

ek

des

itéra

tions

New

ton-

Rap

hson

avec

les

itéra

tions

tem

pore

lles

n.

L’ité

ratio

nes

tini

tialis

éepa

rCn

etap

rès

conv

erge

nce

enK

itéra

tions

N.R

.,x

Kde

vien

tCn+

1.

Ces

itéra

tions

peuv

entr

endr

ele

sché

ma

coût

eux.

6

-x

kx

k+

1x

F(x

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

108

Page 28: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

impl

icite

Sch

éma

expl

icite

:ex

trap

olat

ion

enut

ilisa

ntla

dériv

éelo

cale

6

-t

C(t

)

. . . . . . . . .. . . . . . . . .

. . . . . . . . .. . . . . . . . .

. . . . . . . . .. . . . . . . . .

. . . .. . .. . . . .

. . . . .. . . . .

. . . . .. . . . .

. . .

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

109

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

impl

icite

Sch

éma

impl

icite

:ca

lcul

enut

ilisa

ntla

dériv

éeà

l’end

roit

oùl’o

nar

river

a

6

-t

C(t

)

.................................. . . . .. . . . .

. . . . .. . . . .

. . . . .. . . . .

. . . .

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

110

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

impl

icite

Cec

irev

ient

àef

fect

uer

une

dériv

éear

rière

dans

lete

mps

.O

nré

soud

enfa

it

dC dt−

∆t 2

d2C

dt2

+∆

t2 6

d3C

dt3

+O

(∆

t3)

=Q

(n∆

t,C

(t))

Lam

étho

dees

tdon

cdu

prem

ier

ordr

e.P

our

l’exe

mpl

edu

term

epu

its−

C/T

:

Cn+

1=

Cn−

∆t

TCn

+1→

Cn+

1=

1

1+

∆t

T

Cn

Lefa

cteu

rd’

ampl

ifica

tion

1/(1

+∆

t/T

)<

1et

lesc

hém

aes

tin

cond

ition

elle

men

tsta

ble.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

111

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Au-

delà

dupr

emie

ror

dre

•E

uler

expl

icite

:dé

rivée

avan

t,pr

emie

ror

dre

•E

uler

impl

icite

:dé

rivée

arriè

re,p

rem

ier

ordr

e

•C

ombi

nais

onde

sde

ux?

Ver

sion

cons

iste

nte

lapl

usgé

néra

leav

ecle

sin

stan

tsdi

scre

tsn

etn

+1:

Cn+

1=

Cn+

∆t(α

Q(t

n+

1,C

n+

1)+

(1−

α)Q

(t,C

n))

Pou

=1/

2,o

nob

tient

unsc

hém

ase

mi-i

mpl

icite

duse

cond

ordr

e(d

utr

apèz

e)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

112

Page 29: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lesc

hém

adu

trap

èze:

seco

ndor

dre

?

Cn+

1=

Cn+

1/2+

(∆

t

2

)dC dt

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+1 2

(∆

t

2

)2

d2C

dt2

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+1 6

(∆

t

2

)3

d3C

dt3

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+O

(∆t4

)

Cn

=C

n+

1/2−

(∆

t

2

)dC dt

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+1 2

(∆

t

2

)2

d2C

dt2

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

−1 6

(∆

t

2

)3

d3C

dt3

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+O

(∆t4

)

Qn+

1=

Qn+

1/2

+

(∆

t

2

)dQ dt

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+1 2

(∆

t

2

)2

d2Q

dt2

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+O

(∆t3

)

Qn

=Q

n+

1/2−

(∆

t

2

)dQ dt

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+1 2

(∆

t

2

)2

d2Q

dt2

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

+O

(∆t3

)

C(t

+∆

)−

C(t

)

∆t

=1 2

(Q(t

)+

Q(t

+∆

t))

dC dt

∣ ∣ ∣ ∣ ∣n+

1/2

=Q

n+

1/2

+O

(∆

t2)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

113

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

verg

ence

prem

ier

ordr

e/se

cond

ordr

epo

urun

edé

rivée

0.01

0.02

0.05

0.1

0.2

0.5

1

0.001

0.002

0.005

0.01

0.02

0.05

‖e(

∆x)‖

oùe

estl

adi

ffére

nce

entr

ela

vrai

edé

rivée

etso

nap

prox

imat

ion

num

ériq

ue(ic

ipou

rla

fonc

tion

e−x

).E

chel

les

log-

log.

•D

ériv

éece

ntré

e(e

nbl

eu)

•D

ériv

éeav

ant(

enro

uge)

•D

ériv

éear

rière

(en

vert

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

114

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

verg

ence

prem

ier

ordr

e/se

cond

ordr

epo

urun

edi

scré

tisat

ion

d’éq

uatio

ndi

ffére

ntie

lle

En

exer

cice

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

115

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

des

mét

hode

s,pu

its

Pou

rle

cas

dupu

its−

C/T

,le

sché

ma

géné

rald

evie

nt

Cn+

1=

Cn−

∆t

T

(αCn

+1

+(1

−α)C

n)

Cn+

1=

ρCn

=1−

(1−

α)∆

τ

1+

α∆

τ,

∆τ

=∆

t

T

Laso

lutio

nex

acte

C(t

)=

C(0

)e−

t Tpo

ssèd

eun

fact

eur

d’am

plifi

catio

nex

actρ

∗ : ρ∗

=C

(t+

∆t)

C(t

)=

e−∆

τ

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

116

Page 30: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

des

mét

hode

s,pu

its

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.9998

0.9999

1.0001

1.0002

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.98

0.985

0.99

0.995

1.005

1.01

r(∆

τ)

=ρ ρ∗

=1−

(1−

α)∆

τ

1+

α∆

τe∆

τ

•Le

sché

ma

expl

icite

(en

bleu

)at

ténu

etr

opfo

rt.

•Le

sché

ma

impl

icite

(en

roug

e)n’

atté

nue

pas

asse

z.

•Le

sché

ma

duse

cond

ordr

e(e

nve

rt)

seco

mpo

rte

bien

etco

mm

ence

seul

emen

tpou

rle

sva

leur

sél

evée

∆τ

d’at

ténu

ertr

op

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

117

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

des

mét

hode

s,os

cilla

teur

Pou

rle

cas

dusy

stèm

eos

cilla

ntQ

=iω

C,l

esc

hém

agé

néra

lde

vien

tCn

+1

=Cn

−iω

∆t(αCn

+1

+(1

−α)C

n)

Cn+

1=

ρCn

=1

+i(

1−

α)∆

τ

1−

iα∆

τ,

∆τ

=ω∆

t

Laso

lutio

nex

acte

C(t

)=

C(0

)eiω

tpo

ssèd

eun

fact

eur

d’am

plifi

catio

nex

actρ

∗ : ρ∗

=C

(t+

∆t)

C(t

)=

ei∆τ

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

118

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

des

mét

hode

s,os

cilla

teur

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.97

0.98

0.99

1.01

1.02

1.03r

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99R

r(∆

τ)

=|ρ|

|ρ∗|

=

1+

(1−

α)2

∆τ2

1+

α2∆

τ2

Lesc

hém

aex

plic

ite(b

leu)

esti

nsta

ble,

lesc

hém

aim

plic

ite(r

ouge

)at

ténu

eet

lesc

hém

adu

seco

ndor

dre

(ver

t)es

tneu

tre.

R(∆

τ)

=∆

θ

∆θ∗

=1 ∆τ

arc

tan

(∆

τ

1−

α(1

−α)∆

τ2

)

Les

sché

ma

expl

icite

set

impl

icite

sdé

célè

rent

dela

mêm

efa

çon.

Lesc

hém

a

sem

i-im

plic

itedé

célè

rem

oins

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

119

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

nsde

sm

étho

des

-

6Q

(C,t

)

t nt n

+1

∆t

Fig

ure

1:M

etho

deex

acte

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

120

Page 31: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

nsde

sm

étho

des

-

6Q

(C,t

)

t nt n

+1

∆t

Fig

ure

2:M

etho

deex

plic

ite

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

121

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

nsde

sm

étho

des

-

6Q

(C,t

)

t nt n

+1

∆t

Fig

ure

3:M

etho

deim

plic

ite

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

122

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

nsde

sm

étho

des

-

6Q

(C,t

)

t nt n

+1

∆t

Fig

ure

4:M

etho

dedu

poin

tce

ntral J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.12

3

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

nsde

sm

étho

des

-

6Q

(C,t

)

t nt n

+1

∆t

Fig

ure

5:M

etho

dedu

trap

eze

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

124

Page 32: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pré

dict

eur-

Cor

rect

eur

oum

ultis

tage

Lesc

hém

ase

mi-i

mpl

icite

éval

uela

dériv

éeco

mm

ela

moy

enne

des

dériv

ées

audé

bute

tàla

fin.

Com

men

tévi

ter

deré

soud

rele

syst

ème

algé

briq

ueno

n-lin

éaire

?Il

suffi

tde

préd

ireun

epr

emiè

rees

timat

ion

deCn

+1

etde

l’util

iser

pour

éval

uerQ

n+

1:

Cn+

1=

Cn+

∆tQ

n

Cn+

1=

Cn+

∆t 2

(

Q(t

n,C

n)+

Q(t

n+

1,C

n+

1))

estd

uty

petr

apéz

oida

lmai

s"e

xplic

ite"

algo

rithm

ique

men

t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

125

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pré

dict

eur-

Cor

rect

eur

De

faço

npl

usgé

néra

le,o

npe

utgé

nére

run

efa

mill

ede

mét

hode

s

Cn+

β=

Cn+

β∆

tQn

Cn+

1=

Cn+

∆t(

(1−

α)Q

(tn,C

n)+

αQ

(tn+

β,C

n+

β))

Pou

rαβ

=1/

2,o

nob

tient

lafa

mill

ede

sm

étho

des

deR

unge

-Kut

tad’

ordr

e2.

Pou

=1,

onob

tient

unsc

hém

afo

rwar

d-ba

ckw

ard

:

Cn+

1=

Cn+

∆tQ

n

Cn+

1=

Cn+

∆tQ

(

t n+

1,C

n+

1)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

126

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pré

dict

eur-

Cor

rect

eur

•L’

appr

oche

peut

être

éten

due

pour

utili

ser

dava

ntag

ede

poin

tsin

térie

urs

inte

rméd

iaire

s

•O

npe

utut

ilise

rle

sde

grés

delib

erté

(nom

bre

depo

ints

etpo

ndér

atio

ns)

pour

rédu

irele

ser

reur

sde

tron

catu

re(le

choi

xαβ

=1/

2m

inim

ise

l’err

eur

detr

onca

ture

dela

fam

ille

deno

tre

sché

ma

préd

icte

ur-c

orre

cteu

r)

•L’

augm

enta

tion

duno

mbr

ede

poin

tsau

gmen

tela

dem

ande

dest

ocka

geet

d’év

alua

tions

dela

fonc

tion

Q

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

127

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Util

iser

plus

que

deux

inst

ants

Au

lieu

d’in

trod

uire

des

poin

tsin

term

édia

ires,

pour

quoi

nepa

sut

ilise

rle

spo

ints

déjà

utili

sés?

Exe

mpl

e:le

jeu

dusa

ute-

mou

tons

(Lea

pfro

g)C

(t+

∆t)−

C(t−

∆t)

2∆

t=

dC dt

+O

(∆t2

)

perm

etl’é

critu

red’

unsc

hém

adu

seco

ndor

dre

aisé

àm

ettr

een

oeuv

reC(

t+

∆t)−

C(t−

∆t)

2∆

t=

Q(t

,C(t

))

Cn+

1=

Cn−

1+

2∆

tQ

(tn,C

n)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

128

Page 33: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Leap

frog:

exem

ple

dupu

itsQ

=−

C/T

Cn+

1=

Cn−

1−

2∆τCn

,∆

τ=

∆t

T

100

200

300

400

-2

-112

C

10

20

30

40

0.7

0.8

0.9

1.1

C

Osc

illat

ions

auto

urde

lavr

aie

solu

tion.

Fact

eur

d’am

plifi

catio

nC

n+

1=

ρC

net

Cn−

1=

ρ−

1C

ndo

itsa

tisfa

irel’é

quat

ion

disc

rète

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

129

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Leap

frog:

exem

ple

dupu

its

Exp

licat

ion:

fact

eur

d’am

plifi

catio

donn

épa

r

ρ=

1 ρ−

2∆

τ→

ρ+

=−

∆τ

+√

∆τ

2+

1

ρ−

=−

∆τ−

∆τ

2+

1

Cn=

A(ρ

−)n

+B

(ρ+)n

Si∆

τ¿

1,ρ

+∼

1−

∆τ,ρ

−∼

−1−

∆τ

et

Cn∼

A(−

1)n

(1+

∆τ)n

+B

(1−

∆τ)n

∼A

(−1)

t∆

te

t T+

Be−

t T︸︷︷︸

︸︷︷︸

solu

tion

phys

ique

,m

ode

num

ériq

ue

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

130

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Filt

rage

Cn=

1 2

[1 2

(Cn

−1

+Cn

)+

1 2

(Cn

+Cn

+1)]

Cn

Cn+

1Cn

−1

?>

² Ys

¼

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

131

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Filt

rage

Cn=

Cn+

1 4

[Cn

−1−

2Cn

+Cn

+1]

Cn

Cn+

1Cn

−1

?>

² Ys

¼

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

132

Page 34: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Filt

rage

para

mét

rique

Cn=

Cn+

γ[Cn

−1−

2Cn

+Cn

+1]

Cet

teap

proc

hede

man

dele

stoc

kage

deCn

etCn

etne

mod

ifie

pas

Cn.

Filt

red’

Ass

elin

:ut

ilise

rle

filtr

epa

ram

étriq

ueet

rem

plac

erCn

−1

par

lava

leur

filtr

ée:

Cn+

1=

Cn−

1+

2∆tQ

(tn,C

n)

Cn=

Cn+

γ(

Cn−

1−

2Cn

+Cn

+1)

Rev

ient

enpr

atiq

ueà

rem

plac

erCn

parCn

.F

iltre

égal

emen

tdes

onde

sph

ysiq

uem

entc

orre

ctes

,d’a

utan

tplu

squ

ele

sva

riatio

nsso

ntra

pide

s.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

133

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

gram

mat

ion

Cn+

1=

Cn−

1+

2∆

tQ(t

n,C

n),

Cn

=C

n+

γ(

Cn−

1−

2C

n+

Cn+

1)

CInitialisation

CM=C0-dt*Q(T0,C0)

CN=C0

T=T0

CLoop

on

time

1CONTINUE

CP=CM+

2*dt*Q(t,CN)

CUpdate

including

Asselin

CM=CN+gamma*(CM-2*CN+CP)

CN=CP

t=t+dt

write(6,*)

t-dt,CM

if(t.lt.tmax)

goto

1In

itial

isat

ion

deC−

1,o

ptim

isat

ion

RA

M,m

ise

àjo

uret

sort

ies

(Cod

eco

mpl

et)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

134

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Leap

frog

avec

filtr

ed’

Ass

elin

,Q

=−

C/T

Cn+

1=

Cn−

1−

2∆τCn

,∆

τ=

∆t

T

Cn=

Cn+

γ(

Cn−

1−

2Cn

+Cn

+1)

10

20

30

40

0.8

0.9

1.1

C

γ=

0.1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

135

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Leap

frog

mod

ifié:

Duf

ort-

Fra

nkel

Pou

rl’e

xem

ple

dupu

its,Q

=−

C/T

,Lea

pfro

g:

Cn+

1=

Cn−

1−

2∆

τCn

,∆

τ=

∆t

T

Duf

ort-

Fran

kel:

Cn+

1=

Cn−

1−

∆τ

(Cn

+1

+Cn

−1),

∆τ

=∆

t

T

ρ2

=1−

∆τ

1+

∆τ

Inco

nditi

onne

llem

ents

tabl

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

136

Page 35: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Stif

fpro

blem

s

Par

fois

,la

cond

ition

dest

abili

tépe

utêt

retr

èsco

ntra

igna

nte:

exem

ple

(α1À

α2≥

0):

dC

1

dt

=(α

1−

α2)C

2−

α1C

1

dC

2

dt

=−

α2C

2

Laso

lutio

nan

alyt

ique

pour

laco

nditi

onin

itial

eC

1(0

)=

1+

ε,C

2(0

)=

1es

t

C1(t

)=

e−α

2t+

εe−

α1t

C2(t

)=

e−α

2t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

137

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Stif

fpro

blem

s:di

scré

tisat

ion

Ladi

scré

tisat

ion

d’E

uler

four

nitd

ans

ceca

sl’é

quat

ion

disc

rète

(

Cn+

11 Cn+

12

)

=

(

1−

α1∆

t(α

1−

α2)∆

t

01−

α2∆

t

)(

Cn 1 Cn 2

)

•V

aleu

rspr

opre

sde

lam

atric

ed’

ampl

ifica

tion:

1−

α1∆

tet

1−

α2∆

t

•P

ourα

α2,l

aco

nditi

onde

stab

ilité

impo

seun

pas

α1∆

t≤

2.

•La

solu

tion

exac

tene

cont

ient

pas

deco

mpo

sant

esi

gnifi

cativ

een

e−α

1t

siε2

¿1.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

138

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Stif

fpro

blem

s

Last

abili

ténu

mér

ique

d’un

sché

ma

peut

donc

être

impo

sée

par

des

proc

essu

squ

iapp

arai

ssen

tpeu

oudi

spar

aiss

entr

apid

emen

tdan

sla

solu

tion

exac

te.

Dan

sce

cas,

ilfa

udra

soit

utili

ser

des

pas

dete

mps

très

faib

les,

soit

élim

iner

lepr

oces

sus

resp

onsa

ble

des

équa

tions

dedé

part

,soi

tch

ange

rle

sché

ma

dedi

scré

tisat

ion

(typ

ique

men

tsc

hém

asim

plic

ites)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

139

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Stif

fpro

blem

s

Pou

rl’e

xem

ple,

onpe

utch

oisi

r:

•d’

utili

serα

1∆

t≤

2

•de

rem

plac

erle

séq

uatio

nsex

ploi

tant

α1À

α2,

C1∼

C2

0=

α1C

2−

α1C

1

dC

2

dt

=−

α2C

2

•de

disc

rétis

erle

séq

uatio

nsde

faço

nim

plic

ite

1

1∆

t(α

2−

α1)∆

t

01

2∆

t

Cn

+1

1 Cn+

12

=

Cn 1 Cn 2

(dan

sce

cas,

siα

1δt

À1

onne

peut

pas

prét

endr

e"r

ésou

dre"

oum

odél

iser

lepr

oces

sus

rapi

de)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

140

Page 36: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Stif

fpro

blem

s:te

chni

que

deP

atan

kar

Idée

:ps

eudo

-liné

aris

erle

ste

rmes

rapi

des

Qqu

and

ilsso

ntné

gatif

set

pren

dre

lapa

rtie

"liné

aire

"im

plic

ite

Cn+

1=

Cn+

∆tQ

n CnCn

+1

Exe

mpl

e:Q

(C)

=−

aC

2

Cn+

1=

Cn−

∆taCn

Cn+

1→

Cn+

1=

1

1+

a∆

tCnCn

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

141

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Aut

res

sché

mas

Voi

rp.

ex.D

urr

an

(1999),

Num

eric

alM

ethod

sfo

rW

ave

Equ

ations

inG

eophys

icalFlu

idD

ynam

ics.

Cla

ssifi

catio

nde

sm

étho

des

avec

cont

rain

tes

dest

abili

té,s

tock

age

néce

ssai

re,e

rreu

rde

phas

e,er

reur

d’am

plitu

deet

mes

ure

d’ef

ficac

ité(∆

tm

axim

aldi

visé

par

leno

mbr

ede

fois

que

Qdo

itêt

reév

alué

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

142

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

émas

deD

urr

an

1999

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

143

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

émas

,pro

prié

tés

deD

urr

an

1999

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

144

Page 37: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

rcic

es

•vé

rifier

que

lesc

hém

aLe

apfr

oges

tbie

ndu

seco

ndor

dre

•ét

udie

rle

com

port

emen

tdu

sché

ma

préd

icte

ur-c

orre

cteu

rda

nsle

cas

dupu

itset

del’o

scill

ateu

r

•vé

rifier

que

laco

nver

genc

enu

mér

ique

dela

solu

tion

d’un

sché

ma

sem

i-im

plic

itees

tbie

ndu

seco

ndor

dre

pour

Q=

−C

/T.

•im

agin

erco

mm

entu

tilis

erla

mét

hode

deP

atan

kar

pour

l’exe

mpl

eet

pour

unsy

stèm

eLo

tka-

Vol

terr

a

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

145

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nsau

xdé

rivée

spa

rtie

lles J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

146

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cla

ssifi

catio

nde

séq

uatio

ns

•E

quat

ions

hype

rbol

ique

s

•E

quat

ions

para

boliq

ues

•E

quat

ions

ellip

tique

s

D’u

npo

intd

evu

eph

ysiq

ue:

lety

ped’

équa

tion

impo

sele

nom

bre

etle

type

deco

nditi

ons

initi

ales

etau

xfr

ontiè

res.

Du

poin

tde

vue

num

ériq

ue:

guid

ele

choi

xde

mét

hode

snu

mér

ique

s.E

npr

atiq

ue,u

necl

assi

ficat

ion

corr

ecte

estd

iffici

le.

On

n’an

alys

eso

uven

tqu’

unso

us-e

nsem

ble

des

proc

essu

s.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

147

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nshy

perb

oliq

ues:

exem

ples

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

=0

Néc

essi

teun

eco

nditi

onin

itial

eet

une

seul

eco

nditi

onau

xlim

ites

(d’e

ntré

e)en

x=

0si

u>

0,x

>0.

Pro

paga

tion

dans

lese

nsde

lavi

tess

e.

∂2C

∂t2

=a2∂

2C

∂x

2

Néc

essi

tede

uxco

nditi

ons

initi

ales

(Cet

∂C ∂t

)et

une

cond

ition

sau

xlim

ites

enx

=0

etx

=L

.O

ndes

dans

les

deux

dire

ctio

ns.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

148

Page 38: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nspa

rabo

lique

s:ex

empl

e

∂C ∂t

=A

∂2C

∂x

2

Néc

essi

teun

eco

nditi

onin

itial

eet

une

cond

ition

aux

limite

sen

x=

0et

x=

L.

-

6

x

t ..........

..........

..........

..........

..........

..........

..........

......................................................................

.................................................................

3

ªª

C(0

,x)

x=

L,

C(t

,L)

=f(t

)

x=

0,

∂C

∂x

=g(t

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

149

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nsel

liptiq

ues:

exem

ple

∂2C

∂x

2+

∂2C

∂y2

=−

Q

Une

cond

ition

aux

limite

ssu

rla

fron

tière

dudo

mai

ne.

-

6

x

y

]

°

C(x

,y)=

C1,(x

,y)∈

Γ

Γ

∂C

∂n

=g(x

,y),

(x,y

)∈

Γ

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

150

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Asp

ects

num

ériq

ues

•P

arfo

is,u

nsc

hém

ade

man

depl

usde

cond

ition

sau

xlim

ites

ouin

itial

esqu

ela

form

ulat

ion

mat

hém

atiq

uene

lepe

rmet

.

•C

ecie

stdû

aufa

itqu

el’o

nne

réso

udpa

sl’é

quat

ion

mat

hém

atiq

uem

ais

une

appr

oxim

atio

nde

celle

-ci,

cont

enan

tde

sdé

rivée

sd’

ordr

esu

périe

uret

dem

anda

ntde

sco

nditi

ons

auxi

liaire

sad

ditio

nnel

les

(voi

rer

reur

detr

onca

ture

del’é

quat

ion

équi

vale

nte)

•L’

effe

tde

ces

cond

ition

sau

xlim

ites

ouin

itial

esad

ditio

nelle

sdo

itno

rmal

emen

tdis

para

ître

lors

que

les

réso

lutio

nsau

gmen

tent

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

151

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dis

crét

isat

ions

1D

•C

(t,x

)so

lutio

nex

acte

•t n

=n∆

t,x

i=

i∆x,n

=1,

2,.

..,N

,i=

1,2...,

Nx

•C(

t n,x

i)=

Cn iap

prox

imat

ion

dela

solu

tion

aux

poin

tsdi

scre

ts

•P

arfo

is,l

orsq

ueC

neco

mpo

rte

pas

d’in

dice

,on

sous

-ent

end

Cn i

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

152

Page 39: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dis

crét

isat

ion

spat

io-t

empo

relle

Exe

mpl

ede

l’équ

atio

nde

diffu

sion

1D:

∂C ∂t

=A

∂2C

∂x

2

Util

isan

tle

déve

lopp

emen

tde

Tayl

or:

d2f

dx

2=

f(x

−∆

x)−

2f(x

)+

f(x

+∆

x)

∆x

2+

O(∆

x2)

onpe

utco

nstr

uire

unsc

hém

ad’

Eul

erau

tour

dupo

intx

i

Cn+

1i

−Cn i

∆t

=A

(Cn i−

1−

2Cn i

+Cn i+

1

∆x

2

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

153

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

ditio

nsin

itial

eset

aux

front

ière

s

Pou

rdé

mar

rer

lepr

oces

sus

d’ité

ratio

n,il

faut

conn

aîtr

eC0 i

,i=

1,...,

Nx:

laco

nditi

onin

itial

e.D

’aut

repa

rt,p

our

pouv

oir

calc

uler

l’évo

lutio

ndu

prem

ier

etdu

dern

ier

poin

tde

calc

ul(i

=1

eti=

Nx),

ilfa

udra

itco

nnaî

tre

les

vale

urs

aux

poin

tsvi

rtue

lsCn 0

and

Cn Nx+

1:

ceso

ntle

sco

nditi

ons

aux

limite

squ

iper

met

tron

tde

fixer

ces

vale

urs.

Dan

sle

cas

prés

ent,

leno

mbr

ede

cond

ition

sau

xilia

ires

est

com

patib

leav

ecle

sex

igen

ces

mat

hém

atiq

ues

pour

une

équa

tion

para

boliq

ue.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

154

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

ditio

nsau

xlim

ites

Siu

neva

leur

C(t

,0)

=f(t

)es

tim

posé

e(c

ondi

tion

deD

irich

let)

,cel

ape

utse

trad

uire

faci

lem

enta

uni

veau

num

ériq

ueCn 0

=f(n

∆t)

.P

arco

ntre

siun

eco

nditi

onde

grad

ient

esti

mpo

sée

(con

ditio

nde

Neu

man

n),c

ela

néce

ssite

une

disc

rétis

atio

n:E

xem

ple

deco

nditi

onde

∂C

/∂x

=0

:

∂C ∂x

∼Cn 1

−Cn 0

∆x

=0,

→Cn 0

=Cn 1

De

mêm

e,si

ungr

adie

ntnu

lest

impo

séau

dern

ier

poin

tde

calc

ul,

cela

setr

adui

tpar

Cn Nx+

1=

Cn Nx

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

155

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

dest

abili

En

prin

cipe

,ile

stpo

ssib

led’

appl

ique

rla

mét

hode

deV

on-N

eum

ann

mat

ricie

lleen

cons

trui

sant

leve

cteu

rde

sin

conn

ues

:

Cn+

11 Cn+

12 Cn+

13 ...

Cn+

1N

x

=A

Cn 1 Cn 2 Cn 3 ...

Cn Nx

oùA

estu

nem

atric

eba

nde

dont

ondo

itan

alys

erle

sN

xva

leur

spr

opre

s.C

ette

appr

oche

devi

entt

rop

com

plex

e.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

156

Page 40: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

dest

abili

tépa

rm

odes

deF

ourie

r

Sys

tèm

elin

éaire

:su

perp

ositi

onde

sm

odes

deF

ourie

rpo

urca

ract

éris

erun

eso

lutio

n.E

nsui

te,a

naly

sedu

com

port

emen

tde

chaq

uem

ode

indi

vidu

elle

men

t:ρ

=|ρ|e−

i∆θ

C(t

,x)

=A

ei(k

xx−

ωt)

=A

eωitei

(kxx−

ωrt)

=A

enω

i∆

tei

(kxi∆

x−

r∆

t)

Cn i=

nei

kxi∆

x=

A|ρ|n

ei(k

xi∆

x−

n∆

θ)

Lavi

tess

ede

phas

ec φ

d’un

eon

depe

utau

ssiê

tre

anal

ysée

ains

iqu

eso

néq

uiva

lent

num

ériq

ue:

c φ=

ωr

kx,

c φn

=∆

θ

∆t

1 kx

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

157

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

dest

abili

tépa

rm

odes

deF

ourie

r

En

géné

ral,

l’am

plitu

ded’

unm

ode

peut

varie

ret

ω=

ωr+

iωi,

deso

rte

que

nous

pouv

ons

com

pare

rla

solu

tion

réel

leet

laso

lutio

nnu

mér

ique

•C

ompo

rtem

entd

el’a

mpl

itude

r=

|ρ|

eωi∆

t,

•C

ompo

rtem

entd

ela

prop

agat

ion

R=

c φn

c φ=

∆θ

ωr∆

t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

158

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sta

bilit

édu

sché

ma

d’E

uler

,diff

usio

n1D

Un

mod

edo

nné

satis

fait

Cn+

1i

−Cn i

∆t

=ACn i−

1−

2Cn i

+Cn i+

1

∆x

2

ρ−

1=

d(

eik

x∆

x−

2+

e−ik

x∆

x)

,d

=A

∆t

∆x

2

ρ=

1−

2d

(1−

cos(

kx∆

x))

=1−

4d

sin

2(φ

x/2)

Iciρ

estr

éel:

pas

depr

opag

atio

nd’

onde

mai

sam

ortis

sem

entd

esm

odes

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

159

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

esad

mis

sibl

es

Sil

’on

supp

ose

ledo

mai

nein

fini,

lalim

itein

férie

ure

dek

xes

t0(o

ndes

très

long

ues)

.La

limite

supé

rieur

ede

kx

esti

mpo

sée

par

lapl

usco

urte

onde

que

l’on

peut

repr

ésen

ter

dans

une

grill

edo

nnée

:2∆

xet

max

kx

=2π

2∆

x.

Nou

sob

teno

nsdo

ncla

plag

ede

varia

tion

suiv

ante

x=

kx∆

x∈

[0,π

]

2∆

x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

160

Page 41: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

prié

tés

d’at

ténu

atio

n

Laco

nditi

onde

stab

ilité

|ρ|≤

1co

ndui

tim

méd

iate

men

tàla

cond

ition

d≤

1/2

A∆

t

∆x

2≤

1 2

Lare

latio

nde

disp

ersi

onex

acte

est

ωi=

−k

2 xA

Or,

φx

=k

x∆

xde

sort

equ

e

r(d,φ

x)

=1−

4d

sin

2(φ

x/2)

e−dφ

2 x

Ici,

onut

ilise

ρau

lieu

de|ρ|c

arρ

estr

éel.

Siρ

<0

alor

sno

usav

ons

une

oppo

sitio

nde

phas

e(s

urat

ténu

atio

n)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

161

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

prié

tés

d’at

ténu

atio

n

0.5

11.5

22.5

3

0.2

0.4

0.6

0.81

r

r(φ)

pour

d=

0.01

(rou

ge),

d=

0.1

(ver

t)et

d=

0.4

(ble

u).

Sur

atté

nuat

ion

etco

mpo

rtem

ento

scill

atoi

repo

urd

>1/

4.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

162

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

port

emen

tosc

illat

oire

pour

ρ<

0

Siρ

<0,l

asé

quen

ceρ

n,ρ

n+

1,ρ

n+

2ch

ange

desi

gne

àch

aque

itéra

tion.

Sac

hant

que

cege

nre

d’os

cilla

tion

n’ex

iste

pas

enré

alité

,no

uspo

uvon

sim

pose

rla

cont

rain

tead

ditio

nnel

lesu

ivan

te,q

uand

ρes

trée

l:

•co

mpo

rtem

entn

on-o

scill

atoi

re:

ρ>

0

etda

nsle

cas

dela

disc

rétis

atio

nd’

Eul

er,c

ela

impo

sequ

e

d<

1/4

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

163

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Aut

res

disc

rétis

atio

ns

•Le

apfr

og(t

rois

inst

ants

)

Cn+

1i

=Cn

−1

i+

2d(Cn i−

1−

2Cn i

+Cn i+

1

)

•D

ufor

t-Fr

anke

l(tr

ois

inst

ants

)

Cn+

1i

=Cn

−1

i+

2d(Cn i−

1−

(Cn

+1

i+

Cn−

1i

)+

Cn i+1

)

•S

chém

aim

plic

ite(d

eux

inst

ants

)

Cn+

1i

=Cn i

+d

(Cn

+1

i−1−

2Cn

+1

i+Cn

+1

i+1

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

164

Page 42: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

impl

icite

:sy

stèm

eal

gébr

ique

linéa

ire

Cn+

1i

=Cn i

+d

(Cn

+1

i−1−

2Cn

+1

i+

Cn+

1i+

1

)

−dCn

+1

i−2

+(1

+2d

)Cn+

1i−

1−

dCn

+1

i=

Cn i−1

−dCn

+1

i−1+

(1+

2d)C

n+

1i

−dCn

+1

i+1

=Cn i

−dCn

+1

i+

(1+

2d)C

n+

1i+

1−

dCn

+1

i+2

=Cn i+

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

165

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

impl

icite

:sy

stèm

eal

gébr

ique

linéa

ire

a1

c 1...

00

00

...

0

b 2a2

...

00

00

...

0

... 0

...

b i−

1a

i−1

c i−

10

0...

0

0...

0b i

ai

c i0

...

0

0...

00

b i+

1a

i+1

c i+

1...

0

... 0

...

00

00

...

aN

x−

1c N

x−

1

0...

00

00

...

b Nx

aN

x

Cn+

11

Cn+

12 ..

.

Cn+

1i−

1

Cn+

1i

Cn+

1i+

1

...

Cn+

1N

x−

1

Cn+

1N

x

=

Cn 1

Cn 2 ...

Cn i−

1

Cn i

Cn i+

1

...

Cn N

x−

1

Cn N

x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

166

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sys

tèm

etr

idia

gona

l

Déc

ompo

sitio

nLU

clas

siqu

e(m

étho

ded’

élim

inat

ion

deG

auss

)sa

nspi

vota

geab

outit

àl’a

lgor

ithm

ede

Tho

mas

quis

eré

vèle

effic

ace

(5N

xop

érat

ions

aulie

ude

O(N

3 x)

pour

lam

étho

dede

Gau

sscl

assi

que)

.( C

odeFortran

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

167

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Aut

res

disc

rétis

atio

ns

•S

chém

aim

plic

itepo

ndér

é(d

eux

inst

ants

)

Cn+

1i

=Cn i

+dα

(Cn

+1

i−1−

2Cn

+1

i+

Cn+

1i+

1

)

+d(1

−α)(Cn i−

1−

2Cn i

+Cn i+

1

)

•F

orw

ard

back

war

d(d

eux

inst

ants

,mul

tista

ge)

Cn+

1

i=

Cn i+

d(Cn i−

1−

2Cn i

+Cn i+

1

)

Cn+

1i

=Cn i

+d

(

Cn+

1

i−1−

2Cn

+1

i+Cn

+1

i+1

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

168

Page 43: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Un

prob

lèm

ed’

adve

ctio

nsi

mpl

e

∂C ∂t

+u∂C ∂x

=0

Sch

éma

forw

ard

dans

lete

mps

etba

ckwar

dda

nsl’e

spac

e:

Cn+

1i

−Cn i

∆t

+uCn i

−Cn i−

1

∆x

=0

Cn+

1i

=Cn i

−c(Cn i

−Cn i−

1

)=

(1−

c)Cn i

+cC

n i−1

leno

mbr

eC

FL

cm

esur

ela

dist

ance

parc

ourr

ueen

unpa

sde

tem

pspa

rra

ppor

tau

pas

d’es

pace

c≡

u∆

t

∆x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

169

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sta

bilit

édu

sché

ma

upw

ind

Un

mod

eCn i

=A

ρnei

kxi∆

xda

nsl’é

quat

ion

disc

rète

nous

donn

e

ρ=

1−

c(1−

cosφ

x)−

icsi

x,

φx

=k

x∆

x

|ρ|2

=1−

2c(

1−

c)(1

−co

x)

|ρ|2

ase

sex

trem

aen

φx

=0,

πet

nous

devo

nssa

tisfa

ire

|1−

4c(

1−

c)|≤

1et

c(1−

c)>

0

•S

ic<

0(u

<0),

lesc

hém

aes

ttou

jour

sin

stab

le

•S

ic>

0,l

aco

nditi

onde

stab

ilité

est

u∆

t

∆x

≤1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

170

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

néq

uiva

lent

e

Ana

lyse

del’e

rreu

rde

tron

catu

re:

C(t

+∆

t,x)

=C

(t,x

)+

∆t∂

C ∂t

+∆

t2 2

∂2C

∂t2

+O

(∆

t3)

C(t

,x−

∆x)

=C

(t,x

)−

∆x

∂C ∂x

+∆

x2

2

∂2C

∂x

2+

O(∆

x3)

Inje

ctio

nda

nsl’é

quat

ion

disc

rète

donn

e

∂C ∂t

+∆

t 2

∂2C

∂t2

+O

(∆

t2)

+u

(∂C ∂x

−∆

x 2

∂2C

∂x

2+

O(∆

x2))

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

171

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

néq

uiva

lent

e

Dér

ivat

ion

dece

tteéq

uatio

npa

rra

ppor

tàt

:

∂2C

∂t2

+∆

t 2

∂3C

∂t3

+O

(∆

t2)

+u

∂2C

∂x∂t−

u∆

x 2

∂3C

∂x

2∂t

+O

(∆

x2)

=0

Dér

ivat

ion

dece

tteéq

uatio

npa

rra

ppor

tàx

:

∂2C

∂x∂t

+∆

t 2

∂3C

∂x∂t2

+O

(∆

t2)

+u

∂2C

∂2x

−u

∆x 2

∂3C

∂x

3+

O(∆

x2)

=0

Elim

inat

ion

dela

dériv

éecr

oisé

e:

∂2C

∂t2

=u

2∂

2C

∂2x

+O

(∆t)

+O

(∆

x2)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

172

Page 44: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

néq

uiva

lent

e

Nou

sob

teno

nsfin

alem

entu

neap

prox

imat

ion

del’é

quat

ion

équi

vale

nte

enél

imin

ant

∂2C

∂t2

deso

rte

que

nous

cons

tato

nsqu

eno

tre

équa

tion

disc

rète

réso

uden

fait:

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

=u∆

x

2(1

−c)

∂2C

∂x

2+

O(∆

2)

Cet

teéq

uatio

néq

uiva

utà

une

équa

tion

d’ad

vect

ion-

diffu

sion

.D

ans

ceca

son

ditq

uele

sché

ma

num

ériq

uea

intr

odui

tune

diffu

sion

num

ériq

ueA

n=

u∆

x2

(1−

c).

Nou

spo

uvon

sau

ssii

nter

prét

erce

résu

ltate

nte

rmes

d’an

alys

ede

stab

ilité

quii

mpo

seA

n≥

0.

Illus

trat

ion

dela

diffu

sion

num

ériq

ue

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

173

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

deph

ase

dusc

hém

aup

win

d

Lare

latio

nde

disp

ersi

onex

acte

estω

∗=

uk

x,a

lors

qu’ic

inou

sav

ons

ωn

um

=∆

θ∆

t

∆θ

=−

arg

(ρ)

=arc

tan

(csi

x

1−

c(1

−co

x)

)

0.25

0.5

0.75

11.25

1.5

0.7

0.8

0.9

R(φ

x)

=∆

θω∗∆

t=

∆θ

uk

x∆

t=

∆θ

∆x

x∆

t=

∆θ

x:

décé

léra

ntpo

urc

<1/2

(rou

gec

=0.0

1,

vert

c=

0.1

)ac

célé

rant

pour

c>

1/2

(ble

uc

=0.8

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

174

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Volu

mes

finis

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

175

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

ede

svo

lum

esfin

is

Au

lieu

d’ap

prox

imm

erdi

rect

emen

tl’o

péra

teur

diffé

rent

iel,

inté

grat

ion

del’é

quat

ion

écrit

eso

usfo

rme

cons

erva

tive:

∂C ∂t

+∂F ∂x

=0,

F=

−A

∂C ∂x

-x

xi

xi−

1x

i+1

--

Fi−

1/2

Fi+

1/2

Ci

Ci−

1

Ci+

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

176

Page 45: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

ede

svo

lum

esfin

is

∂C ∂t

+∂F ∂x

=0,

F=

−A

∂C ∂x

Inté

grat

ion

sur

unvo

lum

e(s

egm

ent)

donn

eun

eéq

uatio

nex

acte

∆x

dC

i

dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0,

Ci=

1 ∆x

∫x

i+1/2

xi−

1/2

Cdx

-x

xi

xi−

1x

i+1

--

Fi−

1/2

Fi+

1/2

Ci

Ci−

1

Ci+

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

177

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

ede

svo

lum

esfin

is

L’éq

uatio

nex

acte

peut

alor

sêt

redi

scré

tisée

:

∆x

dC

i

dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0,

Fi+

1/2

=−A

∂C ∂x

∣ ∣ ∣ ∣ ∣ i+1/2

=?

-x

xi

xi−

1x

i+1

--

Fi−

1/2

Fi+

1/2

Ci

Ci−

1

Ci+

1

..............

...........

................

................

...........

..... .. . . . .

. .. . . .. . . . . .

. . . .. . .. . . . . . .

. . . .. . .. . . . .

. . . . ... . . . .

. . . . .. . . .....

..........

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

178

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

ede

svo

lum

esfin

is

L’éq

uatio

nex

acte

peut

alor

sêt

redi

scré

tisée

:

∆x

dC

i

dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0,

Fi+

1/2

=−A

∂C ∂x

∣ ∣ ∣ ∣ ∣ i+1/2

=?

-x

xi

xi−

1x

i+1

--

Fi−

1/2

Fi+

1/2

Ci

Ci−

1

Ci+

1

........................

.........................

......................

.............. . . .. .

. . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .. . . .. . . ....

................

..........................

...............

... . . . .. . . . . . .

.. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

179

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

ede

svo

lum

esfin

is

L’éq

uatio

nex

acte

peut

alor

sêt

redi

scré

tisée

:

∆x

dC

i

dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0,

Fi+

1/2

=−A

∂C ∂x

∣ ∣ ∣ ∣ ∣ i+1/2

=?

-x

xi

xi−

1x

i+1

--

Fi−

1/2

Fi+

1/2

Ci

Ci−

1

Ci+

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

180

Page 46: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

ede

svo

lum

esfin

is

Fi+

1/2

=−AC i

+1−C i

∆x

∆x

dC i dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0

Pou

r∆

xco

nsta

nt,o

nre

trou

veun

sché

ma

duse

cond

ordr

eda

nsl’e

spac

edC i dt

=A

∆x

2

(C i

−1−

2C i

+C i

+1

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

181

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ava

ntag

evo

lum

esfin

is

•S

iles

flux

sont

calc

ulés

defa

çon

uniq

ueau

xin

terf

aces

,la

solu

tion

disc

rète

cons

erve

raC

entr

ele

svo

lum

es

•La

mét

hode

peut

être

faci

lem

entg

énér

alis

éeà

des

grill

esno

n-un

iform

es

•La

mét

hode

peut

être

faci

lem

entg

énér

alis

éeà

ces

situ

atio

nsoù

Ava

rie

•D

esco

nditi

ons

aux

limite

squ

iim

pose

ntin

flux

sont

aisé

men

tap

pliq

uées

enre

mpl

açan

tF1/2

etF

Nx+

1/2

par

leflu

xph

ysiq

ue.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

182

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gén

éral

isat

ion

dusc

hém

ade

diffu

sion

∆x

idC i dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0

Fi+

1/2

=−A

i+1/2

C i+

1−

C i1 2

(∆x

i+1

+∆

xi)

∆x

i∆

xi+

1

-¾∆

xi

2 Ai+

1/2

Fi+

1/2

-x

ix

i+1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

183

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

volu

me

finiv

sdi

scré

tisat

ion

naiv

e

∂C ∂t

=∂ ∂x

[

A∂C ∂x

]

=A

∂2C

∂x

2+

∂A ∂x

∂C ∂x

(1)

Dis

crét

isio

nna

ïve:

Cn+

1i

=Cn i

+A

i∆t

∆x

2

(Cn i−

1−

2Cn i

+)

+∆

t

2∆

x

∂A ∂x

i(Cn i+

1−Cn i−

1

)(2

)

Dis

crét

isat

ion

volu

me

finis

avec

les

flux

utili

sant

leco

effic

iant

Alo

cal:

Cn+

1i

=Cn i

+A

i+1/2∆

t

∆x

2

(Cn i+

1−

Cn i

)−

Ai−

1/2∆

t

∆x

2

(Cn i

−Cn i−

1

)(3

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

184

Page 47: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

mpl

ede

solu

tion

Rec

herc

hede

laso

lutio

nst

atio

nnai

reen

utili

sant

les

vale

urs

exacte

sde

Aet

desa

dériv

ée:

Sol

utio

nex

acte

:S

olut

ions

num

ériq

ues:

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

185

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

non-

unifo

rmes

Plu

sieu

rsst

raté

gies

pour

crée

run

egr

ille

non-

unifo

rme:

onno

tex

i

lapo

sitio

nde

spo

ints

repr

ésen

tatif

sde

moy

enne

ssu

rle

volu

me

etx

ila

posi

tion

des

poin

tsde

sin

terf

aces

xixi+

1/2

xi+

1/2 xi+

1/2

xi

xi

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

186

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

non-

unifo

rmes

•P

lace

rle

spo

ints

Cau

cent

rede

svo

lum

es:

bonn

eap

prox

imat

ion

d’un

em

oyen

neC

•P

lace

rle

sin

terf

aces

àm

i-dis

tanc

een

tre

les

poin

tsC:

bonn

eap

prox

imat

ion

de∂C

/∂x

•P

lace

rle

sin

terf

aces

etpo

intC

libre

men

tmai

sen

trel

acés

:gr

ande

liber

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

187

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

déce

ntré

es

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

188

Page 48: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

déce

ntré

es(

stag

gere

d)

•L’

appr

oche

des

volu

mes

finis

avec

flux

aux

inte

rfac

essu

ggèr

ede

défin

ir(e

tde

préd

ireév

entu

elle

men

t)le

sco

éffic

ient

sde

diffu

sion

Aau

xin

terf

aces

.

•U

neap

proc

hede

volu

mes

finis

pour

l’adv

ectio

nsu

ggèr

ede

défin

irle

svi

tess

es(n

orm

ales

)au

xin

terf

aces

•D

ans

unm

odèl

e3D

géné

ral,

les

vite

sses

etle

sco

effic

ient

sde

diffu

sion

turb

ulen

teso

ntpr

édits

par

lem

odèl

e

Iles

talo

rsju

dici

eux

dene

pas

défin

irle

sva

riabl

esau

mêm

een

droi

t.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

189

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

mpl

ed’

une

grill

ecl

assi

que

∂ζ

∂t

+h

∂u

∂x

=0,

∂u ∂t

=−

g∂ζ

∂x

Dis

crét

isat

ion

dire

cte

forw

ard-

back

war

d:

Zn+

1i

−Z

n i

∆t

+hUn i+

1−

Un i−1

2∆

x=

0

Un+

1i

−Un i

∆t

=−

gZ

n+

1i+

1−

Zn+

1i−

1

2∆

x

appr

oxim

atio

nsO

(∆t)

etO

(∆x

2).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

190

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dér

ivée

ssu

run

egr

ille

clas

siqu

e

Dér

ivée

cent

rée

clas

siqu

eet

duse

cond

ordr

eav

ecun

edi

stan

cede

2∆x

entr

ele

spo

ints

utili

sés -

¾∆

x

Zi

Ui

ζ u-

¾

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

191

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dér

ivée

ssu

run

egr

ille

déce

ntré

e

Ladé

rivée

sur

une

grill

edé

cent

rée

esta

ussi

cent

rée

etdu

seco

ndor

dre,

mai

sla

dist

ance

entr

ele

spo

ints

utili

sés

estd

e∆

x

∆x

Zi

Ui

ζ u-

¾ Zi+

1/2

Ui=

R

µ

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

192

Page 49: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

mpl

esu

run

egr

ille

déce

ntré

e

∂ζ

∂t

+h

∂u

∂x

=0,

∂u ∂t

=−

g∂ζ

∂x

Dis

crét

isat

ion

déce

ntré

efo

rwar

d-ba

ckw

ard

(FB

TC

S):

Zn+

1i+

1/2−

Zn i+

1/2

∆t

+hUn i+

1−

Un i

∆x

=0

Un+

1i

−Un i

∆t

=−

gZ

n+

1i+

1/2−

Zn+

1i−

1/2

∆x

O(∆

t)et

O(∆

x2)

mai

sla

dist

ance

effe

ctiv

e∆

xa

été

divi

sée

par

unfa

cteu

r2.

Dan

sun

prog

ram

me

onra

ngeZ

i−1/2

dans

ZETA(I)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

193

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cas

2Dav

ecfo

rce

deC

orio

lis

∂ζ

∂t

+h

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

=0

∂u ∂t

=fv−

g∂ζ

∂x

∂v

∂t

=−

fu−

g∂ζ

∂y

u,v

coup

lés,

calc

uld’

une

dive

rgen

ceet

d’un

grad

ient

:To

usle

spr

oces

sus

nepe

uven

tpas

être

disc

rétis

ésde

faço

n"o

ptim

ale"

sur

les

grill

esA

raka

wa

A-B

-C-D

défin

isco

mm

esu

it

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

194

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

blèm

ede

lafo

rce

deC

orio

lis

∂u ∂t

=fv

∂v

∂t

=−

fu

Dis

crét

isat

ion

d’E

uler

expl

icite

esti

nsta

ble.

Sch

éma

trap

ézoi

dalo

uim

plic

itene

pose

pas

depr

oblè

me

en0D

,mai

sbi

enqu

and

ildo

itév

alue

rla

forc

ede

Cor

iolis

par

des

moy

enne

ssp

atia

les

sur

une

grill

edé

cent

rée

pour

u,v

(Gril

leC

).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

195

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

blèm

ede

lafo

rce

deC

orio

lis

Un+

1=

Un+

f∆

tVn

Vn+

1=

Vn−

f∆

tUn

+1

App

roch

efo

rwar

d-ba

ckw

ard.

En

prat

ique

,sim

ple

mis

jour

imm

édia

tede

sch

amps

aprè

sca

lcul

.P

our

rend

rele

sché

ma

sym

mét

rique

:Vn

+2

=Vn

+1−

f∆

tUn

+1

Un+

2=

Un+

1+

f∆

tVn

+2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

196

Page 50: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

Ara

kaw

aA

etB

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

••

••

••

••

••

••

••

••

••

••

••

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

♦♦

poin

tsζ

(•);

poin

tsu

etv

(♦)

aum

ême

endr

oit J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.19

7

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

Ara

kaw

aC

etD

••

••

••

>>

>>

>>

>>

>>

>>

∧∧

∧∧

∧∧

∧∧

••

••

••

∧∧

∧∧

∧∧

∧∧

∧∧

∧∧

>>

>

>>

>

>>

>

>>

>

poin

tsζ

(•);

poin

tsu

etv

sépa

rés

(u>

etv∧)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

198

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Aut

res

nota

tions

pour

des

opér

ator

sdi

scre

ts

an

t,n

x,n

y=

a(t

,x,y

)=

a(n

t∆

t,n

x∆

x,n

y∆

y),

(δxa) n

t,n

x,n

y=

an

t,n

x+

1/2,n

y−

an

t,n

x−

1/2,n

y

∆x

,

(ax) n

t,n

x,n

y=

an

t,n

x+

1/2,n

y+

an

t,n

x−

1/2,n

y

2,

(δxu

x) n

t,n

x,n

y=

ax n

t,n

x+

1/2,n

y−

ax n

t,n

x−

1/2,n

y

∆x

=

an

t,n

x+

1,n

y+

an

t,n

x,n

y

2−

an

t,n

x,n

y+

an

t,n

x−

1,n

y

2

∆x

=a

nt,n

x+

1,n

y−

an

t,n

x−

1,n

y

2∆x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

199

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

ζu

etv

aum

ême

poin

t(•)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu

x) n

t,n

x,n

y+

(δyv

y) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x,n

y−

fv n

t+

s,n

x,n

y=

−g

(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

200

Page 51: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

[

(δxu

x) n

t,n

x,n

y+

(δyv

y) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x,n

y−

fv n

t+

s,n

x,n

y=

−g

(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

201

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

[1 2

(Un i+

1,j

+Un i,

j

)−

1 2

(Un i,

j+

Un i−1,j

)

∆x

+(δ

yv

y)]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x,n

y−

fv n

t+

s,n

x,n

y=

−g

(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

202

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

[Un i+

1,j−

Un i−1,j

2∆x

+(δ

yv

y) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x,n

y−

fv n

t+

s,n

x,n

y=

−g

(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

203

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−Z

n i,j

∆t

+h

[Un i+

1,j−Un i−

1,j

2∆

x+

Vn i,j+

1−

Vn i,j−

1

2∆

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x,n

y−

fv n

t+

s,n

x,n

y=

−g

(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

204

Page 52: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−Z

n i,j

∆t

+h

[Un i+

1,j−Un i−

1,j

2∆x

+Vn i,

j+

1−

Vn i,j−

1

2∆y

]

=0

Un+

1i,

j−

Un i,j

∆t

−fv n

t+

s,n

x,n

y=

−g

(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

205

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−Z

n i,j

∆t

+h

[Un i+

1,j−Un i−

1,j

2∆

x+

Vn i,j+

1−

Vn i,j−

1

2∆

y

]

=0

Un+

1i,

j−

Un i,j

∆t

−fVn

+s

i,j

=−

g(δ x

ζx)

nt+

1,n

x,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

206

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−Z

n i,j

∆t

+h

[Un i+

1,j−Un i−

1,j

2∆x

+Vn i,

j+

1−

Vn i,j−

1

2∆y

]

=0

Un+

1i,

j−

Un i,j

∆t

−fVn

+s

i,j

=−

gZ

n+

1i+

1,j−

Zn+

1i−

1,j

2∆x

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

fu

nt+

1−

s,n

x,n

y=

−g

(δ y

ζy)

nt+

1,n

x,n

y

Pas

sage

àun

eno

tatio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

207

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aA

:dis

crét

isat

ion

Zn+

1i,

j−Z

n i,j

∆t

+h

[Un i+

1,j−Un i−

1,j

2∆

x+

Vn i,j+

1−

Vn i,j−

1

2∆

y

]

=0

Un+

1i,

j−

Un i,j

∆t

−fVn

+s

i,j

=−

gZ

n+

1i+

1,j−

Zn+

1i−

1,j

2∆

x

Vn+

1i,

j−

Vn i,j

∆t

+fUn

+1−

si,

j=

−gZ

n+

1i,

j+

1−

Zn+

1i,

j−

1

2∆

y

Not

atio

ncl

assi

que

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

208

Page 53: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

∂ζ

∂t

+h

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

209

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

∂ζ

∂t

+h

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

210

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

(∂u

∂x

+∂v

∂y

)

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

211

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

(

∂u

∂x

︸︷︷︸

+∂v

∂y

)

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

212

Page 54: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

(

Un i+1/2,j−Un i−

1/2,j

∆x

)

+h

∂v

∂y

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

213

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦ ♦

♦ ♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

(

Un i+1/2,j

+1/2

+Un i+

1/2,j−

1/2

)

−(

Un i−1/2,j

+1/2

+Un i−

1/2,j−

1/2

)

2∆

x

+h

∂v

∂y

=0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

214

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦ ♦

♦ ♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Zn+

1i,

j−

Zn i,

j

∆t

+h

(

Un i+

1/2,j

+1/2

+U

n i+1/2,j−

1/2

)

−(

Un i−

1/2,j

+1/2

+U

n i−1/2,j−

1/2

)

2∆

x

+h

(

Vn i−

1/2,j

+1/2

+V

n i+1/2,j

+1/2

)

−(

Vn i−

1/2,j−

1/2

+V

n i+1/2,j−

1/2

)

2∆

y

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

215

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

∂u ∂t

=fv−

g∂ζ

∂x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

216

Page 55: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

∂u ∂t

=fv−

g∂ζ

∂x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

217

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Un+

1i+

1/2,j

+1/2−Un i+

1/2,j

+1/2

∆t

=fv−

g∂ζ

∂x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

218

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Un+

1i+

1/2,j

+1/2−

Un i+1/2,j

+1/2

∆t

=fVn

+s

i+1/2,j

+1/2−

g∂ζ

∂x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

219

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Un+

1i+

1/2,j

+1/2−

Un i+1/2,j

+1/2

∆t

=fVn

+s

i+1/2,j

+1/2−

g∂ζ

∂x

︸︷︷︸

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

220

Page 56: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Un+

1i+

1/2,j

+1/2−

Un i+1/2,j

+1/2

∆t

=fVn

+s

i+1/2,j

+1/2−

g∂ζ

∂x

︸︷︷︸

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

221

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Un+

1i+

1/2,j

+1/2−

Un i+1/2,j

+1/2

∆t

=fVn

+s

i+1/2,j

+1/2

−gZ

n+

1

i+1,j

+1/2−

Zn+

1

i,j+

1/2

∆x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

222

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

• •

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Un+

1i+

1/2,j

+1/2−

Un i+1/2,j

+1/2

∆t

=fVn

+s

i+1/2,j

+1/2

−g

(Z

n+

1i+

1,j

+Z

n+

1i+

1,j

+1

)−

(Z

n+

1i,

j+Z

n+

1i,

j+

1

)

2∆x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

223

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

∂v

∂t

=−

fu−

g∂ζ

∂y

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

224

Page 57: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

leB

• •

•♦

ζ(•

);po

ints

uet

v(♦

)au

mêm

een

droi

t

Vn+

1i+

1/2,j

+1/2−

Vn i+1/2,j

+1/2

∆t

=−

fUn

+1−

si+

1/2,j

+1/2

−g

(Z

n+

1i,

j+

1+

Zn+

1i+

1,j

+1

)−

(Z

n+

1i,

j+

Zn+

1i+

1,j

)

2∆y

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

225

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aB

:dis

crét

isat

ion

•♦

(δtζ

) nt+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu

y) n

t,n

x,n

y+

(δyv

x) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu

) nt+

1/2,n

x+

1/2,n

y+

1/2−

fv n

t+

s,n

x+

1/2,n

y+

1/2

=−

g(δ x

ζy)

nt+

1,n

x+

1/2,n

y+

1/2

(δtv

) nt+

1/2,n

x+

1/2,n

y+

1/2+

fu

nt+

1−

s,n

x+

1/2,n

y+

1/2

=−

g(δ y

ζx)

nt+

1,n

x+

1/2,n

y+

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

226

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

227

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

228

Page 58: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

>∧

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h

xu) n

t,n

x,n

y︸

︷︷

+(δ

yv) n

t,n

x,n

y

=

0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

229

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

∧ ∧

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h

xu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y︸

︷︷

=

0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

230

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

231

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

∧ ∧

∧ ∧

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y︸

︷︷

=−

g(δ

xζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

232

Page 59: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

••

>∧

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y︸

︷︷

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

233

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

234

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

•>

>

>>

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

︸︷︷

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

235

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aC

:dis

crét

isat

ion

••

>∧

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu) n

t,n

x,n

y+

(δyv) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y−

fv

xy

nt+

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δxζ) n

t+

1,n

x+

1/2,n

y

(δtv) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2

+fu

xy

nt+

1−

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ

yζ) n

t+

1,n

x,n

y+

1/2

︸︷︷

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

236

Page 60: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ara

kaw

aD

:dis

crét

isat

ion

•∧

>

ζ(•

);po

ints

uet

vsé

paré

s(u

>et

v∧)

(δtζ) n

t+

1/2,n

x,n

y+

h[

(δxu

xy) n

t,n

x,n

y+

(δyv

xy) n

t,n

x,n

y

]

=0

(δtu) n

t+

1/2,n

x,n

y+

1/2−

fv

xy

nt+

s,n

x,n

y+

1/2

=−

g(δ x

ζx

y)

nt+

1,n

x,n

y+

1/2

(δtv) n

t+

1/2,n

x+

1/2,n

y+

fu

xy

nt+

1−

s,n

x+

1/2,n

y=

−g

(δ y

ζx

y)

nt+

1,n

x+

1/2,n

y

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

237

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cho

ixd’

une

grill

ed’

Ara

kaw

a

•E

npr

atiq

ue,s

euls

les

grill

esB

etC

sont

utili

sés

•O

npe

utm

ontr

erqu

ela

grill

eB

seco

mpo

rte

mie

uxau

xba

sses

réso

lutio

nssp

atia

les

etde

spe

tits

pas

dete

mps

•Le

grill

eC

seco

mpo

rte

mie

uxau

xfin

esré

solu

tions

spat

ials

Les

cond

ition

sde

stab

ilité

sont

duty

peC

FL:

∆t√

gh

∆x

≤O

(1)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

238

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cho

ixd’

une

grill

ed’

Ara

kaw

a

Laré

solu

tion

estm

esur

éepa

r

r=

R ∆x

,R

=

√gh

f

Φ=

f∆

t

(Pou

rle

mod

ein

tern

eg′

rem

plac

eg

etla

haut

eur

dela

couc

hest

ratifi

éere

mpl

ace

la

haut

eurh

)

(η,u

,v)

=(E(

t),U

(t),V(

t))ei(

kxx+

kyy)=

xn

tei(

nx2θ

x+

ny2θ

y),

(4)

whe

reθ x

and

θ yar

elin

ked

toth

ew

ave

num

bers

kx

and

ky

by0≤

2θ x

=k

x∆

x≤

πan

d0≤

2θ y

=k

y∆

y≤

πan

dß2

=−

1.

(∆x

=∆

y)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

239

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rel

atio

nde

disp

ersi

ondi

scrè

te

(ω f

)2

=1

+(k

2 x+

k2 y)R

2=

1+

4(θ

2 x+

θ2 y)r

2,

(5)

N f

)2

=4r2 ξ ∗

(

ξ x+

ξ y

)

2.

(6)

Grid

ξ ∗α

ξ xξ y

A4

1si

n22θ x

sin

22θ y

B1

1si

n2θ x

cos2

θ ysi

n2θ y

cos2

θ x

C1

|cosθ x

cosθ y|

sin

2θ x

sin

2θ y

D1

|cosθ x

cosθ y|

α2si

n2θ x

α2si

n2θ y

Table

1:D

efinitio

nof

para

met

ers

invo

lved

inth

est

ability

anal

ysis

and

disp

ersi

onre

lation

for

A,B

,Can

dD

grid

s.J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.24

0

Page 61: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

rela

tive

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Fig

ure

6:

Rel

ative

erro

(r=

1,Φ

=10−

4)

for

Agr

id(u

ppe

rle

ftpa

nel

),B

grid

(uppe

rri

ghtpa

nel

),C

grid

(lower

left

panel

)and

Dgr

id(lower

righ

tpa

nel

),in

funct

ion

of

θ x,θ

y.

Gre

yle

velsc

ale

sin

dic

ate

valu

es

from

-0.3

3(b

lack

)to

0.3

3(w

hite)

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

241

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

rela

tive

vite

sse

degr

oupe

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

00.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Fig

ure

7:

Rel

ative

erro

rε G

of

group

velo

city

(r=

1,Φ

=10−

4)

for

Agr

id

(uppe

rle

ftpa

nel

),B

grid

(uppe

rri

ght

panel

),C

grid

(lower

left

panel

)and

Dgr

id(lower

righ

tpa

nel

),in

funct

ion

of

θ x,θ

y.

Gre

y

leve

lsc

ale

sin

dic

ate

valu

esfrom

-0.6

6(b

lack

)to

0.6

6(w

hite)

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

242

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

rela

tive

00.2

0.4

0.6

0.8

-1

-0.50

0.51

00.2

0.4

0.6

0.8

-1

-0.50

0.51

00.2

0.4

0.6

0.8

-1

-0.50

0.51

00.2

0.4

0.6

0.8

-1

-0.50

0.51

Fig

ure

8:

Rel

ative

erro

rε,

(Φ=

10−

4)

for

Agr

id(u

ppe

rle

ftpa

nel

),B

grid

(uppe

rri

ght

panel

),C

grid

(lower

left

panel

)and

Dgr

id(lower

righ

tpa

nel

),in

funct

ion

ofθ x

and

log(r

)(θ

y=

θ x)

Gre

yle

velsc

ale

s

indic

ate

valu

esfrom

-0.3

3(b

lack

)to

0.3

3(w

hite)

. J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

243

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sto

ckag

ed’

une

grill

edé

cent

rée

Co-

loca

lisés

(Gril

leA

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

244

Page 62: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sto

ckag

ed’

une

grill

edé

cent

rée

Déc

entr

age

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

245

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sto

ckag

ed’

une

grill

edé

cent

rée

Déc

entr

age

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

246

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sto

ckag

ed’

une

grill

edé

cent

rée

Gril

leC

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

247

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

déce

ntré

espo

urde

str

aceu

rs

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

6

-

6

- -6

ex

ey

A=

γ|∂

xv−

∂yu|

T,S

,k,ζ

,q,C

6v -u

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

248

Page 63: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

déce

ntré

espo

urde

str

aceu

rs

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

+v∂C ∂y

+w

∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C ∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

6

-

6

- -6

ex

ez

6v,k

T,S

,C

-u

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

249

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Str

atég

iegé

néra

lepo

urle

déce

ntra

ge

•Id

entifi

erle

ste

rmes

dom

inan

tsde

séq

uatio

ns(e

x.ad

vect

ion

pour

untr

aceu

rpa

ssif,

équi

libre

géos

trop

hiqu

epo

urun

écou

lem

entà

gran

deéc

helle

)

•Te

nter

depl

acer

les

varia

bles

deso

rte

que

les

term

esdo

min

ants

puis

sent

être

disc

rétis

éspa

rde

ssc

hém

asà

faib

leer

reur

detr

onca

ture

,san

sde

voir

calc

uler

des

moy

enne

s(fi

ltrag

e);s

ipos

sibl

eap

pliq

uer

des

dériv

ées

"sta

gger

ed"

•S

ipou

rle

ste

rmes

moi

nsdo

min

ants

,le

déca

lage

n’es

tpas

poss

ible

,ess

ayer

dere

duire

ladi

stan

cesu

rla

quel

leon

"va

cher

cher

"l’i

nfor

mat

ion.

•S

iun

lissa

gees

tnéc

essa

ire,l

’intr

odui

reex

plic

item

entd

ans

lafo

rmul

atio

nm

athé

mat

ique

avec

unpa

ram

ètre

depo

ndér

atio

spéc

ifier

par

lem

odél

isat

eur.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

250

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trai

tem

entd

ela

pres

sion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

251

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

ns3D

avec

pres

sion

hydr

osta

tique

etin

dive

rgen

ce

∇h·u

+∂w

∂x

3=

0.(7

)

∂u ∂t

+u·∇

hu

+w

∂u

∂x

3+

fe3Λu

=−

∇hq

+∂

∂x

3

[

ν∂u

∂x

3

]

,(8

)

∂q

∂x

3=

b,av

ecq

=gζ

+p

atm ρ0

ensu

rfac

e(9

)

Con

ditio

nsci

ném

atiq

ues

wf

=−

u·∇

hh

aufo

nd(1

0)

ws

=∂ζ

∂t

+u·∇

ensu

rfac

e(1

1)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

252

Page 64: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

ela

surf

ace

libre

:ve

rsio

nna

ive

Sur

une

grill

edé

cent

rée

wk+

1/2

=w

k−

1/2−

∆z k

∇h·u

k=

wk−

1/2−

∇h·(∆

z ku

k)+

uk·∇

h∆

z k(1

2)

où∇

estl

’opé

rate

urde

dive

rgen

ceho

rizon

tale

disc

rete

t∇h

lagr

adie

ntnu

mér

ique

.

?6∆

z k

wk−

1/2

wk+

1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

253

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inté

grat

ion

Au

fond

eten

surf

ace

ilfa

utte

nir

com

pte

dece

que

lagr

ille

n’es

tpl

usun

iform

e(v

ersi

ondi

scrè

tede

larè

gle

deLe

ipni

tzpo

urde

sin

tégr

ales

)

w3/2

=w

1/2−

∇h·(∆

z ku)+

u1·∇

h∆

z 1

deso

rte

que

l’on

peut

calc

uler

K∑ k=

1

wk+

1/2

=

K∑ k=

1

wk−

1/2−

K∑ k=

1

∇h·(∆

z ku

k)+

u1·∇

h∆

z 1+

uK

·∇

h∆

z K

(13)

ws

=w

f−

K∑ k=

1

∇h·(∆

z ku

k)+

u1·∇

h∆

z 1+

uK

·∇

h∆

z K(1

4)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

254

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inté

grat

ion

ws

=w

f−

K∑ k=

1

∇h·(∆

z ku

k)+

u1·∇

h∆

z 1+

uK

·∇

h∆

z K(1

5)

Al’a

ide

des

cond

ition

sci

ném

atiq

ues

∂ζ

∂t+

uK

·∇

=−

u1∇

hh−

K∑ k=

1

∇h·(∆

z ku

k)+

u1·∇

h∆

z 1+

uK

·∇

h∆

z K

(16)

Soi

tfina

lem

ent

∂ζ

∂t

=−

K∑ k=

1

∇h·(∆

z ku

k)

(17)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

255

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

ele

pres

sion

Evi

dem

men

t,ce

lan’

estr

ien

d’au

tre

que

lave

rsio

ndi

scrè

tede

l’int

egra

tion

mat

hém

atiq

uede

laco

nver

satio

nde

lam

asse

∂ζ

∂t

+∇

h·U

=∂H ∂t

+∇

h·U

=0

(18)

sil’o

nca

lcul

eU

com

me

∑K k=

1∆

z ku

kal

ors

lapr

océd

ure

deca

lcul

sera

itζ

n+

1=

ζn−

∆t∇

h·U

n(1

9)

∂q

∂x

3=

b→

qn+

1=

n+

1+

∫x3

ζ

bdx

3(2

0)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

256

Page 65: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sui

tede

sév

alua

tions

Ens

uite

lapr

essi

onse

rtau

calc

ulde

svi

tess

eset

leno

uvea

utr

ansp

ort

∂u ∂t

+u·∇

hu

+w

∂u

∂x

3+

fe3Λu

=−

∇hq

+∂

∂x

3

[

ν∂u

∂x

3

]

,

un+

1←

un,ζ

n+

1(2

1)

Un+

1=

H

undx

3(2

2)

Rem

arqu

e:L’

inté

gral

edo

itêt

reco

hére

nte

avec

leca

lcul

dela

vite

sse

vert

ical

e,au

trem

ent,

lavi

tess

eve

rtic

ale

obte

nue

via

l’int

égra

tion

de(1

2)do

nner

aitu

nré

sulta

tdiff

éren

tdel

’inté

grat

ion

de(1

8)

Pou

rquo

ila

dém

arch

ese

rait

naiv

e?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

257

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nsin

tégr

ées

sur

lave

rtic

ale

Inté

grat

ion

vert

ical

e(U

=∫

udx

3=

Hu),

u=

u+

u′:

∂ζ

∂t

+∇

h·U

=∂H ∂t

+∇

h·U

=0.

(23)

∂U ∂t

+∇

(1 H

UU

+

H

u′ u

′ dx

3

)

+fe3ΛU

=∇

h

H

(x3

+h)b

(x3)d

x3

−∫

H

b(x

3)d

x3∇

hh−

H∇

h

(

+p

atm ρ0

)

s−

τb+

∇h·

(A∇

hU

).

(24)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

258

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ond

esde

grav

ité

Ce

syst

ème

phys

ique

cont

ient

les

com

posa

ntes

suiv

ante

s

∂ζ

∂t

+∇

h·U

=∂H ∂t

+∇

h·U

=0.

(25)

∂U ∂t

+fe3ΛU

=−

h∇

h(g

ζ)

(26)

Ce

sont

les

équa

tions

pour

les

onde

sde

sea

uxpe

upr

ofon

des:

prés

ence

d’on

des

degr

avité

-iner

tieet

plan

étai

res

dans

lesy

stèm

eph

ysiq

ueco

nten

antu

nesu

rfac

elib

reca

lcul

éepa

r(2

5).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

259

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ond

esde

grav

ité-in

ertie

fco

nsta

ntet

fond

plat

:

ω2

f2

=1

+gh f2k

2(2

7)

pour

les

onde

sco

urte

sω/k∼

√gh.

Ce

sont

ces

onde

squ

el’o

na

anal

ysé

pour

ladi

scus

sion

des

grill

esdé

cent

rées

.P

our

lesc

hém

ach

oisi

,cel

ado

nne

une

cond

ition

dest

abili

tédu

type

∆t√

gh

∆x

≤O

(1)

(28)

etle

∆t

asso

cié

aux

onde

sde

grav

itées

tnet

tem

enti

nfér

ieur

aux

autr

este

mps

cara

ctér

istiq

ues

:pé

nalis

atio

nd’

unsc

hém

aco

nten

antc

eson

des.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

260

Page 66: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

séqu

ence

slié

esà

lapr

ésen

ced’

onde

sde

grav

ité•

Ava

ntag

e

•P

rise

enco

mpt

ede

l’aju

stem

entg

éost

roph

ique

etd’

onde

sde

surf

ace

•C

ompa

rais

on/a

ssim

ilatio

ndi

rect

ede

donn

ées

altim

étriq

ues

•D

ésav

anta

ge

•C

ondi

tion

dest

abili

téas

soci

éà

une

vite

sse

depr

opag

atio

nra

pide

•O

ndes

para

site

slié

esà

une

initi

alis

atio

nim

préc

ise

et/o

ude

sco

nditi

onau

xlim

ites

inco

rrec

teet

diffu

sion

num

ériq

ueas

soci

éeà

l’osc

illat

ion

dela

vite

sse

vert

ical

elo

rsde

lapr

opag

atio

nde

cette

onde

(w∼

∂ζ

∂t).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

261

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trai

tem

entd

ela

pres

sion

Que

faire

?

•D

iscr

étis

atio

ncl

assi

que

avec

∆t

adéq

uat(

cher

etlim

itéau

cas

2D)

•M

étho

des

impl

icite

sav

ecco

nstr

uctio

nde

syst

èmes

linéa

ires

àré

soud

re(c

oupl

age

dans

deux

dire

ctio

ns).

Lesy

stèm

eob

tenu

parζ

fait

appa

raîte

l’équ

ival

entd

’un∇

2di

scre

t(éq

uatio

nde

pois

son

disc

rète

)

•M

ode

split

ting

:su

ivre

lepr

oces

sus

rapi

deav

ecle

∆t

adéq

uat

etle

sau

tres

proc

essu

sav

ecun

∆t

plus

gran

d.

•E

limin

atio

na

pri

ori

des

onde

sde

grav

ité-in

tert

ieen

mod

ifian

tle

séq

uatio

nspa

rl’a

ppro

xim

atio

ndu

rigi

dlid:w

s=

0.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

262

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

esp

littin

g

Siu

nsy

stèm

epo

ssèd

ede

spr

oces

sus

avec

des

éche

lles

dete

mps

très

diffé

rent

,les

rest

rictio

nssu

rle

pas

dete

mps

adm

isso

nttr

èsdi

ffére

nts:

Par

fois

onpe

utis

oler

lepr

oces

sus

rapi

deet

lesi

mul

erav

ecun

pas

dete

mps

plus

petit

:E

xem

ple:

les

onde

sde

grav

ité

exte

rnes

dans

unm

odèl

e3D

:La

limite

dest

abili

té∆

t√gh

∆x

≤O

(1)

est

cont

raig

nant

e,m

ais

neco

ncer

nequ

’un

proc

essu

s2D

.On

intè

gre

alor

sun

mod

èle

2Dà

l’int

érie

urd’

unm

odèl

e3D

.Atte

ntio

n,l’i

ntég

rale

vert

ical

edu

3Ddo

itêt

reco

hére

ntav

ecle

tran

spor

t2D

.

- -

t t

s

∆t 3

D

6∆

t 2D

6 ζ

T,S

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

263

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trai

tem

enta

dditi

onne

l

⊕Eve

ntu

elle

men

tfiltra

gedes

ondes

de

gravi

tepa

rfr

iction

additio

nel

le(d

iver

gence

dam

pin

g):

∂ζ

∂t

+∇

h·U

=0.

(29)

∂U ∂t

=−

h∇

h(g

ζ)+

∇h·

(κ∇

hU

)+

∇h

(κ′ ∇

h·U

)(3

0)

Pourq

uoice

lafiltre

(effet

dis

para

itpo

ur

une

solu

tion

stationnaire

ou

des

ondes

lente

s)?

∂2ζ

∂t2

−∇

(gh∇

hζ)−

∇2 h

(

κ′∂

ζ∂

t

)

+...=

0(3

1)

Osc

illa

tions

am

ort

ies

!⊕

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

264

Page 67: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rig

id-li

d

On

supp

ose

apri

ori

que

l’int

erfa

cene

boug

epa

sra

pide

men

t(ce

quis

erai

tle

cas

enpr

ésen

ced’

onde

sde

grav

ité)

∂ζ

∂t

+∇

h·U

∼∇

h·U

=0.

(32)

E T

hU L

1 T

1000

·0.0

1

1000

00

aude

làd’

éche

lles

dete

mps

T≥

104s−

1,l

ava

riatio

nde

ζda

nsla

cons

erva

tion

dela

mas

sein

tégr

éepe

utêt

rené

glig

ée.

On

supp

ose

apri

ori

que

l’int

erfa

cene

boug

epa

sra

pide

men

t(ce

quis

erai

tle

cas

enpr

ésen

ced’

onde

sde

grav

ité)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

265

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rig

id-li

d

•A

vant

ages

•F

iltra

gea

pri

ori

des

mod

esra

pide

s

•E

limin

atio

nd’

unpr

oces

sus

rapi

de

•D

ésav

anta

ges

•In

terp

réta

tion

ambi

gue

deζ

•C

oûtc

roit

rapi

dem

ents

ila

réso

lutio

nau

gmen

te

•C

ondi

tions

dela

fonc

tion

deco

uran

tsur

les

iles

•A

jout

deriv

ière

spl

usdi

ffici

le

•Im

poss

ibili

téde

teni

rco

mpt

ede

patm

•Im

poss

ibili

téde

teni

rco

mpt

ede

lape

rte

d’ea

upa

rév

apor

atio

n

•D

éfor

mat

ion

dela

prop

agat

ion

d’on

des

plan

étai

res

long

ues

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

266

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dem

onst

ratio

ndu

filtr

age:

Ana

lyse

dusy

stèm

esu

ivan

t

α∂ζ

∂t

+∇

h·U

=0.

∂U ∂t

+fe3ΛU

=−

h∇

h(g

ζ)

•α

=1

free

surf

ace

•α

=0

rigi

dlid

Pou

rsi

mpl

ifier

onch

oisi

rah

cons

tant

sur

lapl

anβ

oùf

=f 0

+βy.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

267

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ond

esav

ech

cons

tant

dans

unpl

anβ

L’él

imin

atio

nde

Uet

ζfo

urni

t

[α gh

(∂

2

∂t2

+f

2

)

−∇

2 h

]∂V ∂t−

β∂V ∂x

=0

(33)

les

solu

tions

d’on

des

plan

esV

=Ve

i(k

xx+

kyy−

ωt)

donn

entl

esre

latio

nsde

disp

ersi

on

αω

gh

(−

ω2

+f

2)

+k

=−

βk

x,

k2

=k

2 x+

k2 y

(34)

Siα

=1

onre

trou

vele

sre

latio

nsde

disp

ersi

onha

bitu

elle

s,po

urα

=0

les

onde

sde

grav

itéin

ertie

sont

bien

élim

inés

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

268

Page 68: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ond

espl

anét

aire

s

Ond

esle

ntes

(ω2¿

f2)

sur

lepl

anβ

:

αω

gh

(−

ω2

+f

2)

+k

=−

βk

x,

k2

=k

2 x+

k2 y

(35)

Leri

gid-lid

les

prop

age

avec

une

vite

sse

ω=

−β

kx

k2,

k2

=k

2 x+

k2 y

(36)

alor

squ

ela

solu

tion

réel

lese

rait

ω=

−β

kx

k2

+f2

gh

,k

2=

k2 x

+k

2 y(3

7)

etle

son

des

lent

esso

ntpr

opag

ées

diffé

rem

men

tdan

sle

rigid

-lid

sauf

sif2

gh¿

k2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

269

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roxi

mat

ion

duri

gid-

lid

L’ap

prox

imat

ion

pour

les

onde

spl

anét

aire

sn’

estd

onc

vala

ble

que

siL

2

R2 E¿

1et

que

les

onde

son

tune

éche

llesp

atia

lene

ttem

men

tplu

s

petit

equ

ele

rayo

nde

défo

rmat

ion

exte

rne

RE

=

√gh

f(3

8)

Les

autr

eson

des

(de

grav

ité-in

ertie

)so

ntto

utsi

mpl

emen

télim

inée

sai

nsiq

uele

spr

oces

sus

seba

sant

sur

lapr

opag

atio

nde

ces

onde

s.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

270

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Util

isat

ion

duri

gid-

lid

Lerig

id-li

dél

imin

ele

proc

essu

sra

pide

asso

cié

aum

ouve

men

tde

lasu

rfac

elib

reζ

mai

ség

alem

entl

em

oyen

dela

calc

uler

dire

ctem

ent

alor

squ

el’o

nen

abe

soin

pour

leca

lcul

dela

pres

sion

!L’

équa

tion

d’év

olut

ion

pour

ζde

vien

tune

cont

rain

ted’

indi

verg

ence

dutr

ansp

ort.

∇h·U

=0

Cet

teco

ntra

inte

ests

atis

faite

sil’o

ndé

finit

une

fonc

tion

deco

uran

t(p

our

letr

ansp

ort)

U=

−∂ψ

∂y

,V

=∂ψ

∂x

(39)

(NB

.La

diffé

renc

een

tre

deux

isol

igne

sde

ψdo

nner

aal

ors

imm

édat

emen

tle

débi

td’e

auen

tre

ces

deux

ligne

s)M

ais

com

men

tcal

cule

?E

nin

tégr

antv

ertic

alem

entl

’équ

atio

npo

uru

pour

faire

appa

raîtr

eU

!

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

271

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

npo

urle

tran

spor

t

∂U ∂t

+∇

(1 H

UU

+

H

u′ u

′ dx

3

)

+fe3ΛU

=∇

h

H

(x3

+h)b

(x3)d

x3

−∫

H

b(x

3)d

x3∇

hh−

H∇

h

(

+p

atm ρ0

)

s−

τb+

∇h·

(A∇

hU

).

(40)

∂U ∂t

+∇

(U

U H

)

+fe3ΛU

=

−H

∇h

(

+p

atm ρ0

)

+H

∇h·

(

A∇

h

(1 H

U

))

+B

.

(41)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

272

Page 69: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

npo

urψ

Leve

cteu

rB

résu

me

enré

alité

last

ruct

ure

3Dde

l’éco

ulem

entp

eut

être

calc

ulé

àun

inst

antd

onné

àpa

rtir

des

cham

psde

vite

sses

,de

nsité

etle

sco

nditi

ons

aux

limite

s.

B=

−∇

(∫

H

u′ u

′ dx

3

)

+∇

h

H

(x3

+h)b

(x3)d

x3

−∫

H

b(x

3)d

x3∇

hh

s−

τb+

∇h·

(A∇

hU

)−

H∇

(

A∇

h

(1 H

U

))

(42)

Pro

blèm

e:da

nsl’é

quat

ion

pour

U(e

tdon

cpo

urψ

),le

term

ede

pres

sion

n’es

tpas

conn

u.

∂U ∂t

+∇

(U

U H

)

+fe3ΛU

=

−H

∇h

(

+p

atm ρ0

)

+H

∇h·

(

A∇

h

(1 H

U

))

+B

.

(43)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

273

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

npo

urψ

∂u ∂t

+u·∇

hu

+fe3Λu

=−

∇h

(

+p

atm ρ0

)

+∇

(

A∇

h

(1 H

U

))

+1 H

B.

(44)

Pre

nant

lero

tatio

nnel

vert

ical

pour

Aco

nsta

nton

abou

tità

∂ ∂t

[

∇h·

(1 H

∇hψ

)]

+J

(

ψ,

f H

)

−[

∂ ∂x

1 HJ

(1 H

∂ψ

∂y

)

+∂ ∂y

1 HJ

(1 H

∂ψ

∂y

)

]

=A

∇h·∇

h

[

∇h·

(1 H

∇hψ

)]

+e3·

(

∇hΛ

(1 H

B

))

.

(45)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

274

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

Pro

blèm

es:

•C

ondi

tions

sur

les

îles

(dem

ande

des

inté

gral

esde

volu

mes

entr

eto

utes

les

îles

etto

usle

sco

ntin

ents

pour

abou

tirà

unsy

stèm

elin

éaire

(ple

in)

àré

soud

repo

urto

utes

les

fonc

tions

deco

uran

tsur

les

tout

esle

scô

tes)

•P

rése

nce

de1/H

pose

prob

lèm

esda

nsm

odèl

esqu

is’

appr

oche

ntde

lacô

te

•N

éces

sité

deré

soud

reun

eéq

uatio

nde

pois

son

pour

inve

rtir

∇h·

(1 H

∇hψ

)

•L’

utili

satio

ndu

rigi

d-lid

fait

enso

rte

que

ζn’

appa

rait

que

com

biné

avec

lapr

essi

onat

mos

phér

ique

.C

’est

leur

com

bina

ison

quid

oita

ssur

erun

tran

spor

tind

iver

genc

iel.

On

calc

ule

donc

com

bina

ison

ζet

patm

etim

pose

rp

atm

nech

ange

rapa

sla

circ

ulat

ion

mai

sse

ulem

entl

ava

leur

deζ.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

275

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

eu

Pou

rle

calc

ulde

uon

abe

soin

dela

pres

sion

.C

omm

eon

conn

ait

déjà

Uet

sadé

rivée

tem

pore

lle,o

npe

utdi

agno

stiq

uerq

àpa

rtir

de

H∇

h(g

ζ)

=−

∂U ∂t−

∇h·

(U

U H

)

−fe3ΛU

−∇

h

(p

atm ρ0

)

+H

∇h·

(

A∇

h1 H

U

)

+B

=G

.

(46)

que

l’on

pour

rait

inté

grer

sim

plem

ents

elon

xou

y.

Pou

rde

sra

ison

depr

opag

atio

nd’

erre

urs,

onpr

éfèr

eré

soud

re

∇h·

(H∇

h(g

ζ))

=∇

h·G

(47)

Enc

ore

une

équa

tion

deP

oiss

onav

ecde

sco

nditi

ons.

Pou

rquo

ine

pas

dire

ctem

entc

alcu

ler

lapr

essi

on?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

276

Page 70: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

ele

pres

sion

Obj

ectif

:Tr

ouve

rle

cham

pde

pres

sion

quia

ssur

e

∇h·U

=0

Com

men

t?

∂U ∂t

+∇

(U

U H

)

+fe3ΛU

=

−H

∇h

(

+p

atm ρ0

)

+H

∇h·

(A H

∇hU

)

+B

.

(48)

Pre

ndre

ladi

verg

ence

dece

tteéq

uatio

n,ce

quif

ourn

itun

eéq

uatio

ndu

type

∇h·

(H∇

h(g

ζ))

=∇

h·F−

∂ ∂t(∇

h·U

)(4

9)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

277

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

ela

pres

sion

desu

rfac

e

∇h·

(H∇

h(g

ζ))

=∇

h·F−

∂ ∂t(∇

h·U

)(5

0)

On

calc

ule

alor

sla

pres

sion

enn

+1

pour

que

lave

rsio

ndi

scrè

tede

ladi

verg

ence

∇h·U

n+

1so

itnu

lleen

n+

1

∇h·

(

H∇

h

(gζ

n+

1))

=∇

h·F

n−

1 ∆t

(

0−

∇h·U

n)

(51)

(NB

.On

gard

e∇

h·U

npo

urco

rrig

erle

ser

reur

sde

conv

erge

nce

éven

tuel

les

del’i

nsta

ntn

)E

quat

ion

depo

isso

nqu

i,di

scré

tisée

ress

embl

efo

rtem

entà

une

vers

ion

impl

icite

des

onde

sde

grav

ité-in

ertie

...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

278

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Str

uctu

redu

syst

ème

linéa

ire

Une

disc

rétis

atio

nsi

mpl

ede

∇h·

(

H∇

h

(gζ

n+

1))

etun

e

num

érot

atio

nde

sin

conn

ues

quib

alai

ele

dom

aine

ligne

par

ligne

four

nitu

nsy

stèm

elin

éaire

àré

soud

rede

stru

ctur

epa

rtic

uliè

reav

ecde

sm

étho

des

deré

solu

tions

spéc

ifiqu

es.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

279

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

ditio

nsau

xlim

ites

Legr

adie

ntde

pres

sion

doit

assu

rer

une

impe

rméa

bilit

éou

undé

bit

Qim

posé

:∂Q ∂t

=∂U ∂t

·n

=−

Hn·∇

h(g

ζ)+

n·F

(52)

En

réal

ité,o

nn’

apa

sbe

soin

d’ex

plic

iter

cette

cond

ition

deN

eum

ann:

Com

me

onve

uten

réal

itéqu

ela

dive

rgen

cedis

crete

∇h·U

n+

1so

itnu

lle,o

npe

utdi

rect

emen

trem

plac

erda

nsla

disc

retis

atio

nla

vale

urde

U·n

par

lava

leur

impo

sée.

Alo

rsle

syst

ème

quir

elie

les

pres

sion

nefe

rapl

usin

terv

enir

laco

nditi

onau

xlim

ites.

Ilfa

utég

alem

entv

eille

cequ

ele

sop

érat

eur

dedi

verg

ence

disc

rets

soie

ntle

sm

êmes

pour

leca

lcul

dela

dive

rgen

cedu

grad

ient

dela

pres

sion

(mem

bre

dega

uche

)qu

epo

urla

calc

ulde

ladi

verg

ence

dutr

ansp

ort,

autr

emen

tles

vite

sses

vert

ical

esca

lcul

ées

sont

inco

hére

ntes

avec

les

cond

ition

sau

xlim

ites

dela

cons

erva

tion

dela

mas

sein

tégr

ée.

Lapr

essi

ones

tdon

née

àun

eco

nsta

nte

près

,ce

quid

eman

dede

fixer

lava

leur

d’un

poin

tarb

itrai

rem

ent.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

280

Page 71: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

cept

rete

nir

•Fr

ee-s

urfa

cevs

rigid

-lid:

élim

inat

ion

dem

odes

depr

opag

atio

nin

ertie

-gra

vité

•Tr

aite

men

tdes

onde

sde

grav

ité-in

ertie

dans

unm

odèl

eco

mpl

et3D

(mod

e-sp

littin

g,im

plic

ite),

éven

tuel

lem

ent

amor

tisse

men

t

•F

iltra

gepa

rrig

id-li

det

equa

tions

depo

isso

n(p

ress

ion

oufo

nctio

nde

cour

anta

vec

CL

adéq

uate

s)

•C

ohér

ence

des

opér

ateu

rsdi

scre

tsen

tre

équa

tions

pour

lapr

essi

onet

indi

verg

ence

(aus

sipo

urin

tégr

ales

).A

utre

men

tdit:

faire

les

opér

atio

nspo

urél

imin

erce

rtai

nste

rmes

(div

erge

nce

dutr

ansp

ortp

arex

empl

e)en

vers

ion

disc

rète

pour

assu

rer

que

laso

lutio

ndi

scrè

tesa

tisfa

sse

les

prop

riété

sre

quis

es.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

281

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Alia

sing

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

282

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

esre

prés

enté

spa

rla

grill

e

Mod

esre

prés

enté

s,fr

éque

nce

deN

yqui

st

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

283

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Tran

sfor

mée

deF

ourr

ier

disc

rète

⊕x

j=

Lj M

,j

=0,

M−

1

f(x

j)

=

M/2

∑ m=

0

Am

ei(2

πm

xj

L)

(53)

Am

=1 M

M−

1∑ k=

0

f(x

k)e

−i(2

πm

xk L)

(54)

Ver

ifica

tion:

utilise

rla

seri

ege

om

etri

que

etdis

tingu

er(j

=k

etj6=

k)

En

pra

tiqu

e,utilisa

tion

de

FFT

(par

recu

rren

ce)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

284

Page 72: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Alia

sing

Fréq

uenc

ede

Nyq

uist

etgé

néra

tion

d’ha

rmon

ique

sde

petit

eséc

helle

sno

nre

prés

enta

ble

par

lagr

ille

etin

terp

rété

esco

mm

esi

gnau

plus

gran

deéc

helle

.P

eutm

ener

àde

sin

stab

ilité

sno

n-lin

éaire

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

285

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Alia

sing

L’on

dela

plus

cour

tere

prés

enté

epa

run

egr

ille

aun

elo

ngeu

rd’

onde

2∆x.

Pou

run

efo

nctio

nf(x

),x∈

[0,L

]av

ecM

poin

tsdi

scre

tsj

=0,

...,

M−

1,x

j=

j∆x

avec

L=

M∆

xon

peut

écrir

ela

fonc

tion

f

aux

poin

tsdi

scre

tsco

mm

esé

riede

Fou

rrie

r

f(x

j)

=

M/2

∑ m=

0

Am

ei(2

πm

xj

L)

(55)

Imag

inon

squ

ele

sign

alf

soit

unsi

gnal

depl

usha

ute

fréq

uenc

equ

ece

llepe

rmis

epa

rla

grill

e

f=

ei(2

πm

x L) ,

M/2

≤m

≤M

(56)

soit

m=

M−

mav

ec0m

≤M

/2

f(x

j)

=ei

(2π

mx

jL

)=

ei(2

πM

xj

L) e

−i(2

πm

xj

L)

=ei

(2π

Mj

∆x

L) e

−i(2

πm

xj

L)

=e−

i(2

πm

xj

L)

(57)

L’on

dees

tint

erpr

étée

com

me

une

onde

plus

cour

tede

nom

bre

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

286

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Alia

sing

Sim

=M 2

(1+

ε)al

ors

m=

M 2(1

−ε)

:ré

flect

ion

auto

urde

M/2

Lesp

ectr

ese

rado

ncre

nfor

cepr

èsde

M/2.

Sil

esp

ectr

edé

croi

tra

pide

men

ton

n’a

pas

trop

desi

gnau

xm

alin

terp

rété

squ

ipol

luen

tle

vrai

sign

al.

6

-i

MM

/2

mm

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

287

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

blèm

eno

n-lin

éaire

Pro

blèm

e:S

ideu

xon

des

inte

ragi

ssen

t,el

les

peuv

entd

onne

rlie

ua

des

harm

oniq

ues

Siu

nte

rme

duty

peu

∂u

∂x

avec

uqu

icon

tient

deux

fréq

uenc

esm

etn

l’int

erac

tion

four

nira

des

fréq

uenc

esen

m+

nqu

idon

nent

lieu

àun

alia

sing

sim

+n

>M

/2

mêm

esi

indé

pend

emm

entl

esde

uxon

des

sont

bien

réso

lus

m<

M/2

etn

<M

/2.

L’on

dese

rain

terp

rété

eco

mm

eun

eon

dem

=M

−(m

+n).

Sip

arm

alhe

urm

=n

(oùm

),al

ors

l’alia

sing

vare

nfor

cer

lesi

gnal

del’o

nde

nde

faço

nar

tifici

elle

.C

efe

edba

ckpe

utau

gmen

ter

lete

rme

non-

linéa

ireet

donn

erlie

une

inst

abili

téno

n-lin

éaire

.P

our

l’évi

ter,

ilfa

utev

iter

que

m=

n=

M−

(m+

n)

càd

qu’il

faut

évite

r2n

=M

−m

.C

omm

em

<M

/2il

faut

évite

rqu

en

neto

mbe

dans

[M/4,M

/2].

Aut

rem

entd

it,il

faut

filtr

erle

son

des

delo

ngeu

rd’

onde

entr

e2∆

xet

4∆

x.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

288

Page 73: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

émas

d’ad

vect

ion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

289

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

upw

ind

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

=0

Dis

crét

isat

ion

sim

ple

forw

ard

dans

lete

mps

etba

ckward

dans

l’esp

ace

(upw

ind

oùdo

nor-

cell)

sche

me:

Cn+

1i

−Cn i

∆t

+uCn i

−Cn i−

1

∆x

=0

Cn+

1i

=Cn i

−c(Cn i

−Cn i−

1

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

290

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

upw

ind

10

20

30

40

50

0.2

0.4

0.6

0.81

Adv

ectio

n1D

avec

unsc

hém

aup

win

d.C

ondi

tion

initi

ale

("ch

apea

u"à

gauc

he),

solu

tion

num

ériq

ue(c

ourb

edu

type

Gau

ssie

nne)

etso

lutio

nex

acte

("ch

apea

u"à

droi

te)

aprè

s20

0pa

sde

tem

psav

ecun

nom

bre

deC

oura

ntC

FL=

0.1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

291

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Diff

éren

ces

cent

rées

Cn+

1i

−Cn i

∆t

+uCn i+

1−

Cn i−1

2∆

x=

0

Cn+

1i

=Cn i

−c 2

(Cn i+

1−

Cn i−1

)

Sch

éma

inst

able

,équ

atio

néq

uiva

lent

e:

∂C ∂t

+u

∂C ∂x

=−

u2∆

t

2

∂2C

∂x

2+

O(∆

2)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

292

Page 74: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

duse

cond

ordr

e

Ajo

utte

rau

tant

dedi

ffusi

onnu

mér

ique

qu’il

faut

pour

com

pens

erla

diffu

sion

num

ériq

uené

gativ

edu

sché

ma

cent

ré.

(Aus

siap

pellé

sché

ma

deLa

x-W

endr

offo

ude

Leith

en1D

).

Cn+

1i

−Cn i

∆t

+uCn i+

1−

Cn i−1

2∆x

=u

2∆

t

2

Cn i+1−

2Cn i

+Cn i−

1

∆x

2

Cn+

1i

=Cn i

−c 2

(Cn i+

1−Cn i−

1

)+

c2 2

(Cn i+

1−

2Cn i

+Cn i−

1

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

293

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

duse

cond

ordr

e

10

20

30

40

50

-0.25

0.25

0.5

0.751

1.25

Adv

ectio

n1D

avec

unsc

hém

adu

seco

nd.

Con

ditio

nin

itial

e("

chap

eau"

àga

uche

),so

lutio

nnu

mér

ique

(cou

rbe

osci

llant

e)et

solu

tion

exac

te("

chap

eau"

àdr

oite

)ap

rès

200

pas

dete

mps

avec

unno

mbr

ede

Cou

rant

CF

L=0.

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

294

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Adv

ectio

nav

ecLe

apfro

g

Cn+

1i

−Cn

−1

i

2∆t

+uCn i+

1−

Cn i−1

2∆x

=0

Cn+

1i

=Cn i−

1−

c(Cn i+

1−

Cn i−1

)

10

20

30

40

50

-0.25

0.25

0.5

0.751

1.25

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

295

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Leap

frog:

erre

urde

prop

agat

ion

100

200

300

400

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0.25

0.5

0.751

100

200

300

400

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0.25

0.5

0.751

Gau

che:

cond

ition

initi

ale

(rou

ge)

etso

lutio

nex

acte

.D

roite

:so

lutio

nnu

mér

ique

avec

un

paqu

etse

dépl

acan

tàco

ntre

cour

ant(

Res

tesi

l’on

appl

ique

unfil

tre

d’A

ssel

in)

Pro

paga

tion

depa

quet

sd’

onde

slo

ngue

set

cour

tes J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

296

Page 75: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

nde

l’err

eur

ρ−

1 ρ=

−2i

csi

x

Sta

bilit

é:si

c<

1on

a|ρ|=

1de

sort

equ

=e−

i∆θ

et

sin

∆θ

=csi

x

On

peut

égal

emen

tana

lyse

ren

term

esde

vite

sse

degr

oupe

prop

agea

ntle

ssi

gnau

x:C

∗ g=

u.

App

roxi

mat

ion

num

ériq

ue

Cg

=∂

ωn

∂k

x=

∆x

∆t

∂∆

θ∂

φx

deso

rte

que

G=

Cg

C∗ g

=1 c

∂∆

θ

∂φ

x=

cosφ

x

cos(a

rcsi

n(c

sin

φx))

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

297

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

ner

reur

deph

ase

0.5

11.5

22.5

3

0.2

0.4

0.6

0.81

Com

port

emen

td’u

neon

depu

re:R

(φx)

=∆

θ∆

tω∗

=∆

θcφ

x(r

ouge

c=

0.01

,ver

tc=

0.1,b

leu

c=

0.8)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

298

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpré

tatio

ner

reur

deph

ase

0.5

11.5

22.5

3

-1

-0.5

0.51

G(φ

x)

=C

g

C∗ g.

Vite

sse

degr

oupe

posi

tive

pour

unpa

quet

d’on

des

long

ues

φx

<π/2

mai

sné

gativ

epo

urun

paqu

etd’

onde

sco

urte

x>

π/2

(rou

gec

=0.

01,v

ertc

=0.

1,b

leu

c=

0.8)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

299

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Adv

ectio

nen

volu

mes

finis

∂C ∂t

+∂F

∂x

=0,

F=

uC

Inté

grat

ion

surx

donn

eun

eéq

uatio

nex

acte

∆x

dC

i

dt

+F

i+1/2−

Fi−

1/2

=0,

Ci=

1 ∆x

∫x

i+

1/2

xi−

1/2

Cdx

Inté

grat

ion

surt

donn

eun

eéq

uatio

nex

acte

:

∆x

(

Cn+

1i

−C

n i

)

+

∫t n

+∆

t

t n

(F

i+1/2−

Fi−

1/2

)dt=

0,

On

doit

calc

uler

com

bien

rent

reet

sort

pend

antu

npa

sde

tem

ps∆

t:

∫t+

∆t

tF

i−1/2dt=

∆tF

i−1/2

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

300

Page 76: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Adv

ectio

nen

volu

mes

finis

Don

orce

ll=up

win

d:C

ham

pco

nsta

ntpa

rm

orce

au:

∫t n

+∆

t

t n

Fi+

1/2dt=

∆tu

i+1/2Cn i

,u

>0

∫t n

+∆

t

t n

Fi+

1/2dt=

∆tu

i+1/2Cn i+

1,

u<

0

On

retr

ouve

lesc

hém

aup

win

d!

..........

..........

..........

..........

...............

..........

..........

..........

.........

-u

-F

i+1/2

=uC

Ci

¾ u∆

t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

301

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

duse

cond

ordr

e

Fi+

1/2

=u

i+1/2

(Cn i

+Cn i+

1

2−

c 2

(Cn i+

1−

Cn i

))

,

Fi+

1/2

=u

i+1/2

(

Cn i+

1−

c

2

(Cn i+

1−

Cn i

))

,

C’e

stun

sché

ma

duse

cond

ordr

esi

c=

u∆

t∆

x.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fi+

1/2

=uC

-u

-

¾

Ci

u∆

t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

302

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

émas

TV

D

•Le

sché

ma

upw

ind

diffu

sive

trop

•Le

sché

ma

duse

cond

ordr

ees

tdis

pers

ifet

crée

des

extr

ema

non

phys

ique

s

•Le

sché

ma

deLe

apfr

oges

taus

sidi

sper

sife

tnon

-mon

oton

e

•D

essc

hém

aav

ecpl

usde

poin

tset

d’or

dre

supé

rieur

nepe

rmet

tent

pas

d’él

imin

irle

prob

lèm

ede

sos

cilla

tions

.(T

héor

ème

deG

ouda

nov:

lese

ulsc

hém

alin

éaire

mon

oton

ees

tle

sché

ma

upw

ind)

Sch

émas

non-

linéa

ires:

Pon

dere

run

sché

ma

upw

ind

(mon

o-to

ne)

etdu

seco

ndor

dre

(pré

cis)

enfo

nctio

nde

laso

lutio

nel

le-

mêm

e!

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

303

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

eT

VD

Fi+

1/2

=F

L i+1/2

+φ(F

H i+1/2−

FL i+

1/2),

φ≥

0

FL i+

1/2

flux

dusc

hém

am

onot

one,

FH i+

1/2

flux

d’un

sché

ma

d’or

dre

supé

rieur

φ=

φ(r

)=

max[0

,min

(1,2

r),m

in(2

,r)]

r=

Ci−

Ci−

1

Ci+

1−

Ci

etce

sché

ma

estn

ette

men

tmoi

nsdi

ffusi

fque

lesc

hém

aup

win

dm

ais

rest

em

onot

one

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

304

Page 77: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Adv

ectio

nT

VD

10

20

30

40

50

-0.25

0.25

0.5

0.751

1.25

Adv

ectio

nd’

unéc

hello

n

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

305

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

sché

mas

TV

Det

flux

limite

r

Défi

nitio

n:Tota

lVari

ation

TV

en1D

:

TV

n≡

i

|Cn i+

1−

Cn i|

(58)

Mes

ure

dela

varia

bilit

éde

laso

lutio

n:pl

usla

solu

tion

est"

gent

ille"

,m

oins

impo

rtan

tese

raT

VU

nsc

hém

aes

tdit

"TV

D"

(Tota

lVari

ation

Dim

inis

hin

g)s’

iln’

augm

ente

pas

TV

:

TV

n+

1≤

TV

n(5

9)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

306

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Thé

orèm

ede

Har

ten

Un

sché

ma

quis

’écr

it

Cn+

1i

=Cn i

−a

i−1/2

(Cn i

−Cn i−

1

)+

b i+

1/2

(Cn i+

1−

Cn i

)(6

0)

est"

TV

D"

si0≤

ai+

1/2et

0≤

b i+

1/2et

ai+

1/2

+b i

+1/2≤

1

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

307

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dém

onst

ratio

ndu

théo

rèm

e

Cn+

1i

=Cn i

−a

i−1/2

(Cn i

−Cn i−

1

)+

b i+

1/2

(Cn i+

1−

Cn i

)

Cn+

1i+

1=

Cn i+1−

ai+

1/2

(Cn i+

1−

Cn i

)+

b i+

3/2

(Cn i+

2−

Cn i+1

)

Cn+

1i+

1−

Cn+

1i

=Cn i+

1−

ai+

1/2

(Cn i+

1−

Cn i

)+

b i+

3/2

(Cn i+

2−

Cn i+1

)

−[Cn i

−a

i−1/2

(Cn i

−Cn i−

1

)+

b i+

1/2

(Cn i+

1−

Cn i

)]

Cn+

1i+

1−

Cn+

1i

=(1−

ai+

1/2−

b i+

1/2

)(Cn i+

1−

Cn i

)

+b i

+3/2

(Cn i+

2−

Cn i+1

)+

ai−

1/2

(Cn i

−Cn i−

1

)

puis

que

0≤

ai+

1/2et

0≤

b i+

1/2et

ai+

1/2

+b i

+1/2≤

1:

|Cn+

1i+

1−

Cn+

1i

|≤(1−

ai+

1/2−

b i+

1/2

)∣ ∣ C

n i+1−

Cn i

∣ ∣

+b i

+3/2

∣ ∣ Cn i+

2−

Cn i+1

∣ ∣+

ai−

1/2

∣ ∣ Cn i−

Cn i−1

∣ ∣

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

308

Page 78: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dém

onst

ratio

nsu

ite

|Cn+

1i+

1−

Cn+

1i

|≤(1−

ai+

1/2−

b i+

1/2

)∣ ∣ C

n i+1−

Cn i

∣ ∣

+b i

+3/2

∣ ∣ Cn i+

2−

Cn i+1

∣ ∣+

ai−

1/2

∣ ∣ Cn i−

Cn i−1

∣ ∣

i

|Cn+

1i+

1−

Cn+

1i

|≤∑

i

(1−

ai+

1/2−

b i+

1/2

)∣ ∣ C

n i+1−Cn i

∣ ∣

+∑

i

b i+

3/2

∣ ∣ Cn i+

2−

Cn i+1

∣ ∣+

i

ai−

1/2

∣ ∣ Cn i−

Cn i−1

∣ ∣

déca

lage

des

inci

des

des

deux

dern

iers

term

es:

i

|Cn+

1i+

1−

Cn+

1i

|≤∑

i

(1−

ai+

1/2−

b i+

1/2

)∣ ∣ C

n i+1−

Cn i

∣ ∣

+∑

i

b i+

1/2

∣ ∣ Cn i+

1−

Cn i

∣ ∣+

i

ai+

1/2

∣ ∣ Cn i+

1−

Cn i

∣ ∣≤

i

∣ ∣ Cn i+

1−

Cn i

∣ ∣

CQ

FD

.J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.30

9

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Util

ité

Dév

elop

pem

entd

esc

hém

asno

n-lin

éaire

squ

isat

isfo

ntle

sco

nditi

ons

TV

D!E

xem

ple

desc

hém

aba

sésu

rl’e

stim

atio

nde

Cau

xin

terf

aces

C:

Cn+

1i

=Cn i

−∆

t

∆x

(

uC i

+1/2−

uC i

−1/2

)

(61)

•S

chém

aup

win

dC i

+1/2

=Cn i

•S

chém

adu

seco

ndor

dreC i

+1/2

=Cn i

+1 2

(1−

c)(C

n i+1−

Cn i)

•S

chém

apo

ndér

é:C i

+1/2

=Cn i

i+1/2

(1−

c)

2(C

n i+1−Cn i

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

310

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

éma

TV

D

Cn+

1i

=Cn i

−∆

t

∆x

(

uC i

+1/2−

uC i

−1/2

)

C i+

1/2

=Cn i

i+1/2

(1−

c)

2(C

n i+1−

Cn i)

Lesc

hém

aco

mpl

etav

ecle

limite

urde

flux

Φes

talo

rs

Cn+

1i

=Cn i

−c(

C i+

1/2−

C i−

1/2

)

=Cn i

−c

(

Cn i+

Φi+

1/2(1

−c)

2(C

n i+1−

Cn i))

+c

(

Cn i−1

i−1/2(1

−c)

2(C

n i−

Cn i−1))

(62)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

311

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Est

-ce

TV

Den

supp

osan

t0≤

c=

u∆

t∆

x≤

1

Cn+

1i

=Cn i

−c(Cn i

+1 2

Φi+

1/2(1

−c)

(Cn i+

1−

Cn i))

+c(Cn i−

1+

1 2Φ

i−1/2(1

−c)

(Cn i−

Cn i−1))

Cn+

1i

=Cn i

−c(1−

1 2Φ

i−1/2(1

−c)

)(Cn i

−Cn i−

1

)

−c

1 2Φ

i+1/2(1

−c)

(Cn i+

1−

Cn i)

Cet

tefo

rme

nesa

tisfa

itpa

sle

sco

nditi

ons

requ

ises

.R

efor

mul

atio

n:

Cn+

1i

=Cn i

−c

[

1−

1 2Φ

i−1/2(1

−c)

+1 2

Φi+

1/2(1

−c)

(Cn i+

1−

Cn i)

(Cn i

−Cn i−

1

)

]

(Cn i

−Cn i−

1

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

312

Page 79: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

TV

D

Cn+

1i

=Cn i

−a

i−1/2

(Cn i

−Cn i−

1

)(6

3)

TV

Dsi

0≤

ai−

1/2≤

1

ai−

1/2

=c

[

1−

1 2Φ

i−1/2(1

−c)

+1 2

Φi+

1/2

r i+

1/2

(1−

c)

]

(64)

r i+

1/2

=

(Cn i

−Cn i−

1

)

(Cn i+

1−Cn i

)(6

5)

Apr

ésen

t:tr

ouve

rle

sm

eille

urs

lois

non-

linéa

ires

Φ(r

)as

sura

nt0≤

ai−

1/2≤

1to

uten

gard

antl

apr

écis

ion

max

imal

e!

0≤

c+

c(1−

c)

2

i+1/2

r i+

1/2−

Φi−

1/2

]

≤1

(66)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

313

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

ditio

nssu

ffisa

ntes

0≤

c+

c(1−

c)

2

i+1/2

r i+

1/2−

Φi−

1/2

]

≤1

(67)

Si

c(1−

c)

i−1/2≤

cdo

ncau

ssi

Φi+

1/2≤

2

(1−

c)(6

8)

et 0

≤c+

(1−

c)c

2

Φi+

1/2

r i+

1/2≤

1et

ilsu

ffitq

ue0≤

Φi+

1/2

r i+

1/2≤

2/c

(69)

(Pou

rr

<0

Φ=

0.)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

314

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

ditio

nssu

ffisa

ntes

les

plus

rest

rictiv

es

Φi+

1/2≤

2et

Φi+

1/2

r i+

1/2≤

2(7

0)

-

6

r

Φ(r

)

1

2

+

Sec

ond

ordr

e

?Van

Leer

Fig

ure

9:D

omai

ne

TV

D

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

315

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

mpl

esde

limite

urs

•va

nLe

er:Φ

i+1/2

=r

i+

1/2+|r

i+

1/2|

1+|r

i+

1/2|

•m

inm

od:Φ

i+1/2

=m

ax(0

,min

(1,r

i+1/2))

•su

perb

ee:Φ

i+1/2

=m

ax(0

,min

(1,2

r i+

1/2),

min

(2,r

i+1/2))

•M

C:Φ

i+1/2

=m

ax(0

,min

(2r i

+1/2,(

1+

r i+

1/2)/

2,2

))

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

316

Page 80: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gén

éral

isat

ion

àde

ssc

hém

asd’

ordr

esu

périe

ur⊕

C i+

1/2

=Cn i

i+1/2(C

H i+1/2−

Cn i)

(71)

ouCH i+

1/2

estca

lcule

apa

rtir

d’u

nsc

hem

ad’o

rdre

super

ieur.

Φ=

0

fourn

ira

lesc

hem

aupwin

det

Φ=

1le

schem

ad’o

rdre

super

ieur.

Cn+

1i

=Cn i

−c(

C i+

1/2−

C i−

1/2

)

=Cn i

−c(Cn i

−Cn i−

1

)

1

i+1/2

(CH i+

1/2−

Cn i)

(Cn i−

Cn i−1)

−Φ

i−1/2

(CH i−

1/2−

Cn i−1)

(Cn i−

Cn i−1)

(72)

s i+

1/2

=(C

H i+1/2−

Cn i)

(Cn i+

1−

Cn i)

(73)

⊕J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.31

7

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gén

éral

isat

ion

⊕ ⊕eq

uation

Mem

eanaly

sequ

epre

cedem

men

ten

ram

pla

cant

1 2(1

−c)

Φpa

rsΦ

etT

VD

dem

ande

i+1/2s i

+1/2≤

1et

s i+

1/2Φ

i+1/2

r i+

1/2

≤1 c−

1(7

4)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

318

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sch

émas

mon

oton

es

•S

chém

am

onot

one:

quin

ecr

éepa

sde

nouv

eaux

extr

éma

(exe

mpl

epo

urun

eco

ncen

trat

ion

pass

ive

etpo

sitiv

ein

itial

emen

t,ne

pas

crée

rde

sva

leur

sné

gativ

es)

•F

orm

elle

men

t:S

chém

am

onot

one

sipo

urC i

=0,

i6=

j,C j

≥0

alor

s∂C i ∂t≥

0,i

6=j

(con

trôl

ede

l’aug

men

tatio

nvi

ale

pas

dete

mps

etan

alys

ede

ladé

croi

ssan

cedu

max

imum

via

lasu

bstit

uatio

nC→

−C

+C m

ax

66

66

66

66

Cj

C=

0

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

319

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

dem

onot

onie

:dé

mon

stra

tion

orig

inal

e

⊕C i

+1/2

=Cn i

+1 2

Ψi+

1/2(C

n i+1−

Cn i)

(75)

Cn+

1i

=Cn i

−c(Cn i

−Cn i−

1

)(

1+

1 2Ψ

i+1/2

(Cn i+

1−

Cn i)

(Cn i−

Cn i−1)−

1 2Ψ

i−1/2

)

=Cn i

−c(Cn i

−Cn i−

1

)(

1+

1 2Ψ

i+1/2

1

r i+

1/2−

1 2Ψ

i−1/2

)

r i+

1/2

=

(Cn i

−Cn i−

1

)

(Cn i+

1−

Cn i)

(76)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

320

Page 81: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mon

oton

e?

Cn+

1i

=Cn i

−c(Cn i

−Cn i−

1

)(

1+

1 2Ψ

i+1/2

1

r i+

1/2−

1 2Ψ

i−1/2

)

(77)

•Sil’on

sepla

ceCn i

=0,

Cn i−1

>0,la

conditio

nde

monoto

nic

ite

s’ec

rit

0<

1+

1 2Ψ

i+1/2

1

r i+

1/2−

1 2Ψ

i−1/2

<K

(78)

ou

laco

nst

ante

Kdep

endra

du

pas

de

tem

ps

chois

i(p

our

ne

pas

aller

au

del

adu

maxi

mum

)•

Sil’on

sepla

ceen

Cn i>

0,

Cn i−1

=0,

ilfa

utqu

e

c

(

1+

1 2Ψ

i+1/2

1

r i+

1/2−

1 2Ψ

i−1/2

)

<1

(79)

Soit

Kc≤

1⊕

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

321

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

ditio

nsde

mon

oton

icité

⊕C

onditio

ns

suffi

sante

s:

0<

1+

1 2Ψ

i+1/2

1r

i+

1/2−

1 2Ψ

i−1/2

<K

etK

c≤

1si

1+

1 2Ψ

i+1/2

1r

i+

1/2≤

K≤

1 cso

it1 2

Ψi+

1/2

1r

i+

1/2≤

(1−

c)/c

et

Ψi−

1/2≤

2

Pour

Ψi+

1/2

=2φ

i+1/2s i

+1/2

on

retrouve

lesc

hem

apre

ceden

tet

la

conditio

nde

monoto

nic

ite

equiv

auta

laco

nditio

nT

VD

!⊕

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

322

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dém

onst

ratio

nal

tern

ativ

ede

lam

onot

onic

ité

Com

me

Cn+

1i

=Cn i

−a

i−1/2

(Cn i

−Cn i−

1

)

Iles

tcla

irqu

em

in(C

n i,C

n i−1)≤

n+

1i

≤m

ax(C

n i,C

n i−1)s

i0≤

ai−

1/2≤

1

(inte

rpol

atio

n).

Cel

ain

diqu

equ

eCn i

croi

tsiC

n i−1

estp

lus

petit

etdé

croi

tdan

sle

cas

cont

raire

.C

eso

ntbi

enle

sco

ntra

inte

squ

el’o

na

appl

iqué

pour

étab

lirle

sco

nditi

ons

dem

onot

onic

ité.

Or

icic

ela

revi

entà

impo

ser

0≤

ai−

1/2≤

1,q

uies

tla

cond

ition

TV

D!

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

323

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lim

iteur

sun

iver

sels

Idée

:m

odifi

erla

vale

urde

sort

ieC i

+1/2

pour

que

min

(Cn i,C

n i−1)≤

Cn+

1i

≤m

ax(C

n i,C

n i−1)

(80)

Pou

rce

la:

estim

erde

sbo

rnes

pour

lava

leur

enen

trée

C i−

1/2:

min

(Cn i,C

n i−1)≤

C i−

1/2≤

max(C

n i,C

n i−1)

(81)

De

sort

equ

e

Cn+

1i

=Cn i

−c(

C i+

1/2−

C i−

1/2

)

(82)

(Cn+

1i

) max

=Cn i

−c(

(Ci+

1/2) m

in−

(Ci−

1/2) m

ax

)

=Cn i

−c(C i

+1/2) m

in+

cm

ax(C

n i,C

n i−1)

(83)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

324

Page 82: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lim

iteur

sun

iver

sels

:bo

rnes

(Cn+

1i

) min

=Cn i

−c(

(Ci+

1/2) m

ax−

(Ci−

1/2) m

in

)

=Cn i

−c(C i

+1/2) m

ax

+cm

in(C

n i,C

n i−1)

(84)

•C

omm

eon

veut

(Cn+

1i

) max≤

max

(Cn i,C

n i−1)

ilfa

ut

(Ci+

1/2) m

in≥

1 c

[Cn i

+(c

−1)

max

(Cn i,C

n i−1)]

(85)

•C

omm

eon

veut

min

(Cn i,C

n i−1)≤

(Cn+

1i

) min

ilfa

ut

(Ci+

1/2) m

ax≤

1 c

[Cn i

+(c

−1)

min

(Cn i,C

n i−1)]

(86)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

325

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Util

isat

ion

des

limite

urs

Str

atég

iegé

néra

le:

Cal

cule

rle

sva

leur

sde

C i+

1/2

par

unsc

hém

ad’

ordr

esu

périe

uret

limite

rle

sva

leur

sen

suite

aux

adm

ises

.O

npe

utdé

mon

trer

que

cela

revi

enta

satis

faire

les

cond

ition

sT

VD

!E

nré

alité

,les

cond

ition

sso

nttr

opre

stric

tives

,car

onne

tient

pas

com

pte

dufa

itqu

ela

vale

urd’

entr

éea

été

elle

-mêm

elim

itée

est

que

l’est

imat

ion

pour

lava

leur

enen

trée

C i−

1/2:

min

(Cn i,C

n i−1)≤

C i−

1/2≤

max(C

n i,C

n i−1)

(87)

estt

rop

pess

imis

te.

Am

élio

ratio

nsen

deux

pass

esso

ntpo

ssib

les

(Thu

burn

,JC

P19

96).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

326

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gén

éral

isat

ion

à2D

•2D

=2

disc

rétis

atio

ns1D

•A

ppro

che

delig

nes

deco

uran

t

•P

asfr

actio

nnai

res

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

327

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

2D=

2di

scré

tisat

ions

1D

Pou

run

sché

ma

upw

ind

(u>

0,v

>0):

Cn+

1i,

j=

Cn i,j−

c x(Cn i,

j−

Cn i−1,j

)−

c y(Cn i,

j−

Cn i,j−

1

)

c x=

u∆

t

∆x

,c y

=v∆

t

∆y

Déc

onse

illé

pour

l’adv

ectio

nca

rig

nora

ntla

vrai

edi

rect

ion

duco

uran

t

-

6

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

328

Page 83: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

2Dle

long

duco

uran

t

Pou

run

sché

ma

duty

peup

win

d(u

>0,v

>0):

Cn+

1i,

j=

Cn i,j−

c x(Cn i,

j−

Cn i−1,j

)−

c y(Cn i,

j−

Cn i,j−

1

)

+c x

c y(Cn i,

j+

Cn i−1,j−

1−

Cn i−1,j−

Cn i,j−

1

)

c x=

u∆

t

∆x

,c y

=v∆

t

∆y

-

63

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

329

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pas

frac

tionn

aire

s

∂C ∂t

+u

∂C

∂x

+v

∂C ∂y

+w

∂C ∂z

+w

m∂C ∂z

=Q

C+

∂ ∂x

(

A∂C

∂x

)

+∂ ∂y

(

A∂C ∂y

)

+∂ ∂z

(

ν∂C ∂z

)

C′=

Cn−

∆tu

∂C

n

∂x

C′′

=C

′−

∆tv

∂C

∂y

C′′′=

C′′−

∆t(w

+w

m)∂C

′′

∂z

C′′′′

=C

′′′+

∆tQ

C

C′′′′′=

C′′′′

+∆

t∂ ∂x

(

A∂C

′′′′

∂x

)

+∆

t∂ ∂y

(

A∂C

′′′′

∂y

)

Cn+

1=

C′′′′′+

∆t

∂ ∂z

(

ν∂C

n+

1

∂z

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

330

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

ents

deco

ordo

nnée

set

grill

es

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

331

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

ents

deco

ordo

nnée

s

•C

oord

onné

esgé

ogra

phiq

ues

(sph

ériq

ues)

•C

oord

onné

escu

rvili

gnes

(côt

es)

•C

hang

emen

tsde

coor

donn

éeve

rtic

ale

(top

ogra

phie

)

•Z

oom

ing

etN

estin

g

•G

énér

atio

nde

grill

esvs

l’util

isat

ion

•G

rille

sho

rizon

tale

svs

vert

ical

esen

océa

nogr

aphi

e(r

appo

rtd’

aspe

ct)

•F

orm

esco

nser

vativ

esvs

form

esno

nco

nser

vativ

es

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

332

Page 84: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Tran

sfor

mat

ions

degr

illes

Gril

leca

rtés

ienn

t,gr

ille

cart

ésie

nne

non-

unifo

rme,

grill

ecu

rvili

gne

orth

ogon

ale,

grill

ecu

rvili

gne

non-

orth

ogon

ale,

grill

eno

n-st

ruct

urée

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

333

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

sphé

rique

s

e1

e2

e3

φ

Rx

yz

λ0

λ0

Ω Fig

ure

10

:Pla

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

334

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

sphé

rique

s

∂w ∂r

+2w r

+1

rco

∂v

cosλ

∂λ

+1

rco

∂u

∂φ

=0,

(88)

du dt

+uw r

−uv r

tan

λ−

2Ωv

sin

λ+

2Ωw

cosλ

=−

1

ρrco

∂p

∂φ

+F

φ ρ,(8

9)

dv dt

+vw r

+u

2 rta

+2Ω

usi

=−

1 ρr

∂p

∂λ

+F

λ ρ,(9

0)

dw dt−

u2

+v2

r−

2Ωu

cosλ

=−

1 ρ

∂p

∂r−

g+

Fr ρ,(9

1)

oùd dt≡

∂ ∂t

+u

rco

∂ ∂φ

+v r

∂ ∂λ

+w

∂ ∂r.(9

2)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

335

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

sphé

rique

ssi

mpl

ifiés

∂w ∂z

+1

aco

∂v

cosλ

∂λ

+1

aco

∂u

∂φ

=0,

(93)

du dt

+uw a

−uv a

tan

λ−

vsi

+2Ω

wco

=−

1

ρa

cosλ

∂p

∂φ

+F

φ ρ,(9

4)

dv dt

+vw a

+u

2 ata

+2Ω

usi

=−

1 ρ0a

∂p

∂λ

+F

λ ρ,(9

5)

dw dt−

u2

+v2

a−

uco

=−

1 ρ0

∂q

∂z−

b+

Fr ρ,(9

6)

oùd dt≡

∂ ∂t

+u

aco

∂ ∂φ

+v a

∂ ∂λ

+w

∂ ∂z

(97)

Pou

run

eéc

ritur

eso

usfo

rme

plus

dedi

verg

ence

deflu

x,on

peut

auss

iutil

iser

dC dt≡

∂C ∂t

+1

aco

∂uC

∂φ

+1

aco

∂v

cosλC

∂λ

+∂w

C

∂z

(98)

Sil

’on

utili

seł’a

ppro

xim

atio

nhy

dros

tatiq

ue,o

nre

mpl

acer

a96

par

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

336

Page 85: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

entd

eco

ordo

nnée

sor

thog

onal

h1

h2

h3

qξ 1

±ξ 3

1ξ 2

Fig

ure

11

:Tra

nsf

orm

atio

nd’

un

elem

ent3D

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

337

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

curv

ilign

es

∇A

=a

1

h1

∂A

∂ξ 1

+a

2

h2

∂A

∂ξ 2

+a

3

h3

∂A

∂ξ 3

(100)

∇·F

=1

h1h

2h

3

[∂ ∂ξ 1

(h2h

3F

1)+

∂ ∂ξ 2

(h1h

3F

2)+

∂ ∂ξ 3

(h1h

2F

3)]

(101)

∇2A

=1

h1h

2h

3

[∂ ∂ξ 1

(h

2h

3

h1

∂A

∂ξ 1

)

+∂ ∂ξ 2

(h

1h

3

h2

∂A

∂ξ 2

)

+∂ ∂ξ 3

(h

1h

2

h3

∂A

∂ξ 3

)]

(102)

∇⊗

F=

a1

h2h

3

[∂ ∂ξ 2

(h3F

3)−

∂ ∂ξ 3

(h2F

2)]

+a

2

h3h

1

[∂ ∂ξ 3

(h1F

1)−

∂ ∂ξ 1

(h3F

3)]

+a

3

h1h

2

[∂ ∂ξ 1

(h2F

2)−

∂ ∂ξ 2

(h1F

1)]

(103)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

338

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

curv

ilign

es

dA dt

=∂A ∂t

+dξ 1 dt

∂A

∂ξ 1

+dξ 2 dt

∂A

∂ξ 2

+dξ 3 dt

∂A

∂ξ 3

(104

)

∂A ∂t

+ν 1 h1

∂A

∂ξ 1

+ν 2 h2

∂A

∂ξ 2

+ν 3 h3

∂A

∂ξ 3

=∂A ∂t

+(V

·∇)A

(105

)

For

me

cons

erva

tive,

mai

sdi

fficu

ltéd’

assu

rer

orth

ogon

alité

dela

grill

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

339

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

lecu

rvili

gne

horiz

onta

le

En

océa

nogr

aphi

e,sé

para

tion

horiz

onta

le-v

ertic

ale.

D’a

bord

chan

gem

entd

eco

ordo

nnée

sho

rizon

tale

set

éven

tuel

lem

ent

ulté

rieur

emen

tun

chan

gem

entd

eco

ordo

nnée

vert

ical

esu

pplé

men

taire

.

h2 1

=

(∂x

∂ξ 1

)2

+

(∂y

∂ξ 1

)2

(106)

h2 2

=

(∂x

∂ξ 2

)2

+

(∂y

∂ξ 2

)2

(107)

h3

=1

(108)

ds2

=h

2 1dξ 1

+h

2 2dξ 2

+h

2 3dξ 3

(109)

∇·u

=1

h1h

2h

3

(∂(h

2h

3u

1)

∂ξ 1

+∂(h

1h

3u

2)

∂ξ 2

+∂(h

1h

2u

3)

∂ξ 3

)

(110)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

340

Page 86: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

èle

curv

ilign

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

341

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gén

érat

ion

deco

ordo

nnée

scu

rvili

gnes

Pou

rla

résu

lotio

nde

séq

uatio

ns,i

lfau

tles

mét

rique

sh

1,h

2,h

3po

urla

grill

ere

tenu

e.M

ais

com

men

tcré

erla

grill

e?P

our

une

grill

eor

thog

onal

eil

faut

que

les

isol

igne

sde

ξ 1so

ient

orto

gona

les

aux

isol

igne

sξ 2

.C

’est

leca

ssi

1et

ξ 2so

ntle

spa

rtie

sré

elle

set

imag

inai

res

d’un

efo

nctio

nco

mpl

exe

anal

ytiq

ue.

Dan

sce

cas

ilsa

tisfo

nt

∂2ξ 1

∂x

2+

∂2ξ 1

∂y2

=0,

∂2ξ 2

∂x

2+

∂2ξ 2

∂y2

=0

(111)

En

prat

ique

,nou

svo

ulon

sfix

erla

vale

urde

ξsu

run

efr

ontie

re(o

uun

elig

nepr

oche

)po

urgé

néré

run

grill

ecu

rvili

gne.

L’or

thog

onal

itédo

itêt

reas

suré

epa

rde

sco

nditi

ons

aux

limite

sad

équa

tes:

siξ 1

estc

onst

antl

adé

rivée

norm

ale

deξ 2

doit

être

nulle

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

342

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

les

orth

ogon

ales

Laré

solu

tion

dece

séq

uatio

nspe

utse

faire

dans

ledo

mai

neré

el(a

vec

des

bord

sco

mpl

iqué

s)ou

bien

dans

lado

mai

neξ 1

,ξ2

enin

vers

antl

esva

riabl

esdé

pend

ante

set

indé

pend

ante

s:

α∂

2x

∂ξ2 1

−2β

∂2x

∂ξ 1

∂ξ 2

∂2x

∂ξ2 2

=0

(112

)

α∂

2y

∂ξ2 1

−2β

∂2y

∂ξ 1

∂ξ 2

∂2y

∂ξ2 2

=0

(113

)

α=

(∂x

∂ξ 1

)2

+

(∂y

∂ξ 1

)2

=

(∂x

∂ξ 2

)2

+

(∂y

∂ξ 2

)2

(114

)

β=

(∂x

∂ξ 1

)(

∂x

∂ξ 2

)

+

(∂y

∂ξ 1

)(

∂y

∂ξ 2

)

(115

)

Don

tla

réso

lutio

ndo

nner

ax(ξ

1,ξ

2)

aux

poin

tsdi

scre

tsI,J

dela

grill

enu

mér

ique

eton

peut

calc

uler

les

mét

rique

sJ.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.34

3

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

suiv

antl

eto

pogr

aphi

e

σ=

z+

hζ+

h

+B

onne

repr

ésen

tatio

nde

lavr

aie

topo

grap

hie,

bonn

eré

solu

tion

vert

ical

eet

inco

rpor

atio

nde

surf

ace

libre

-C

hang

emen

tsra

pide

sde

∆z

etlig

nes

dela

grill

etr

ès"s

teep

"m

ènan

tàde

sin

ters

ectio

nsav

ecle

sgr

adie

nts

dede

nsité

(diff

usio

nde

lath

erm

oclin

epa

ref

fets

num

ériq

ues

etap

parit

ion

d’un

eer

ror

sur

lagr

adie

ntde

pres

sion

(qui

esth

oriz

onta

l))

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

344

Page 87: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Coo

rdon

nées

z

Gril

leen

coor

donn

éez

dans

unpl

ace

vert

ical

avec

mas

que

des

poin

ts"t

erre

"+

Com

port

emen

trob

uste

etdi

ffusi

onnu

mer

ique

(hor

izon

tale

)qu

ite

ndve

rsun

est

ratifi

catio

nsa

nsve

ntth

erm

ique

-M

auva

ise

réso

lutio

nde

lato

pogr

aphi

e(p

arm

arch

es)

surt

outp

our

les

pent

esfa

ible

sen

gran

depr

ofon

deur

oule

∆z

estl

arge

men

tsu

périe

urau

varia

tions

deh

entr

ede

uxpo

ints

degr

ille.

Bea

ucou

pde

poin

tsde

lagr

ille

sont

inut

ilisé

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

345

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

entd

eco

ordo

nnée

s

j

t=

t∗,x

=x∗ ,

y=

y∗ ,

γ=

Γ(t

∗ ,x∗ ,

y

¼

t∗=

t,x∗

=x,y∗

=y,z∗

=Z

(t,x

,y,γ

)

Fig

ure

12

:Tra

nsf

orm

atio

nJ.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.34

6

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Tran

sfor

mat

ion

mat

hém

atiq

ue

t=

t,x

=x,

y=

y(1

16)

z=

z(x

,y,z

,t)

(117

)

Tran

sfor

mat

ions

sim

plifi

ées

enut

ilisa

ntle

svi

tess

es

J=

∂z

∂z

(118

)

u=

u,

v=

v(1

19)

w=

dz dt

(120

)

Fer

aen

sort

equ

ele

séq

uatio

nsré

sulta

nts

sont

sim

ilaire

celle

sd’

orig

ine,

avec

appa

ritio

ndu

jaco

bien

dans

les

flux

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

347

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Vite

sse

coet

cont

rava

riant

es

µ

........................................................................

............

............

............

............

............

............

.........

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

348

Page 88: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

ents

devi

tess

es

6 -6 -

6-

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

349

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

ents

devi

tess

es

] >3 o >

]µÁ K

µ

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

350

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cha

ngem

ents

devi

tess

es

] >3 o *

*1:

*

Y

Y-

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

351

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Tran

sfor

mat

ion

des

équa

tions

∂C

i

∂t

+∇

·(u

Ci)

+∂u

3C

i

∂x

3+

∂w

iCi

∂x

3=

Qi+

Fi+

∂x

3

[

λ∂C

i

∂x

3

]

(121)

∂η

∂t

+∇

·(U

)=

0(1

22)

∂U ∂t

+∇

·(u

U)+

fe3⊗

U=

−H

∇qs

+F

U+

B+

τs−

τb

(123)

FU

=∇

·(κ

∇U

)+

∇(κ

′ ∇·U

)(1

24)

∂J

Ci

∂t

+∇

·(J

uC

i)+

∂J

u3C

i

∂x

3=

JQ

i+

FJ

C+

∂x

3

[

λ J∂C

i

∂x

3

]

(125)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

352

Page 89: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Aut

res

nota

tatio

ns

γ=

γ(t

∗ ,x∗ ,

y∗ ,

z)

⇔z

=z(t

,x,y

,γ).

(126

)

Der

ivée

sda

nsl’e

spac

etr

ansf

orm

éno

tées

∂t,∂

x,∂

yan

d∂

γ.

Les

vale

urs

deγ

sur

lefo

ndet

lasu

rfac

eso

ntco

nsta

ntav

ecle

tem

pset

onpe

utch

oisi

rγ(ζ

)=

0,γ(−

H)

=−

1(1

27)

Boundary

fitted

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

353

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

J:=

∂γz

=(∂

∗ zγ)−

1,

(128)

Leja

cobi

en(v

aria

ble

dans

lete

mps

etl’e

spac

e)jo

ueun

rôle

cent

ral

dans

les

équa

tions

pour

les

varia

bles

d’ét

atu,v

,T,S

,k

∂t(J

u)+

∂γ(w

u)−

∂γ

(ν t J

∂γu)

−fJv

=−

Jg∂∗ xζ,

(129)

∂t(J

v)+

∂γ(w

v)−

∂γ

(ν t J

∂γv)

+fJu

=−

Jg∂∗ yζ,

(130)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

354

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∂t(J

T)+

∂γ(w

T)−

∂γ

(ν′ t J∂

γT

)

=J

∂∗ zI

c′ pρ0,

(131

)

∂t(J

S)+

∂γ(w

S)−

∂γ

(ν′ t J∂

γS

)

=0,

(132

)

∂t(J

k)+

∂γ(w

k)−

∂γ

(ν t Jσ

k∂

γk

)

=J(P

+B−

),(1

33)

∂t(J

)+

∂γ(w

)−

∂γ

(ν t Jσ

∂γ

)

=J k

(c1P

+c 3

B−

c 2).

(134

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

355

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cas

1Dav

ecgr

ille

quib

ouge

Dan

sla

cas

1D

w=

J∂∗ tγ

=−

∂tz

(135)

estl

avi

tess

eve

rtic

ale

par

rapp

ortà

lagr

ille

tran

sfor

mée

.S

il’o

nbo

uge

lagr

ille

alor

squ

ela

vite

sse

phys

ique

estn

ulle

,on

fait

appa

raîtr

eun

term

ed’

adve

ctio

nda

nsl’é

quat

ion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

356

Page 90: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

GH

ER

Coo

rdin

ate

Cha

nge

x =

L

x =

0

x =

-L

3

3 3

^

^ ^

H

x3

hl

h -

hl

h

3x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

357

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

lead

apta

tive

Pla

cer

etbo

uger

les

poin

tspo

urre

duire

l’err

eur:

Trou

ver

ladi

strib

utio

nde

poin

ts

z=

Z(σ

),σ∈

[−1,0

](1

36)

quic

ouvr

ele

dom

aine

z∈

[−h,ζ

]de

faço

n"o

ptim

ale"

pour

repr

ésen

ter

lafo

nctio

nf

.

I 1=

∫ζ −h

(∂f

∂σ

)

dz

=

∫0 −1

∂f

∂z

(∂Z

∂σ

)2

=

∫0 −1

w1

(∂Z

∂σ

)2

(137)

Lepo

ids

w1

=f′tie

ntco

mpt

ede

sva

riatio

nspl

usou

moi

nsra

pide

sde

lafo

nctio

nf

àre

prés

ente

r.(′

dési

gne

une

dériv

éepa

rra

ppor

tàz).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

358

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

lead

apta

tive

Lam

inim

isat

ion

de(1

37)

cher

che

àto

uver

unch

ange

men

tde

coor

donn

ées

z=

Z(σ

)de

sort

equ

eda

nsce

sno

uvel

les

coor

donn

ées

les

grad

ient

sde

f(p

arra

ppor

taux

nouv

elle

sco

ordo

nnée

s)so

ient

petit

set

dist

ribué

ssu

rto

utle

dom

aine

(ain

sion

aura

plus

depo

ints

deca

lcul

làou

legr

adie

ntda

nsl’e

spac

eph

ysiq

uees

tim

port

ant)

Les

équa

tions

d’E

uler

-Lag

rang

eav

ecle

spo

ints

fixes

Z(0

)=

−h

etZ

(1)

eten

supp

osan

tles

fonc

tions

poid

sdé

pend

antd

ela

coor

donn

éeno

rmal

isé

w1

=w

1(σ

):on

obtie

nt

∂ ∂σ

(

w1∂Z

∂σ

)

=0

(138

)

Per

met

deca

lcul

erZ

.E

npr

atiq

uew

1do

itêt

reré

éval

uéà

chaq

uefo

isqu

el’o

na

boug

éle

spo

ints

car

les

dériv

ées

sont

donn

ées

aux

poin

tsph

ysiq

ues.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

359

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

lead

apta

tive

Aut

reap

proc

he

I 2=

∫0 −1

(

w1(Z

)∂Z

∂σ

)2

(139)

mên

eau

xm

êmes

équa

tions

d’E

uler

-Lag

ranq

ueeq

uatio

nqu

e(1

38)

Lam

inim

isat

ion

de(1

39)

corr

espo

ndà

une

min

imis

atio

nd’

erro

rd’

inte

rpol

atio

nqu

isup

pose

que

lafo

nctio

nes

tcon

stan

tepa

rm

orce

auau

tour

des

poin

tsdi

scre

ts.

En

effe

tl’e

rreu

rde

trun

catu

reT

1d’

une

telle

inte

rpol

atio

nse

rait

T1

=dZ dσ

df

dz

(140)

Lam

inim

isat

ion

sur

tout

ledo

mai

nede

cette

erre

urde

tron

catu

rese

raeq

uiva

lent

àla

min

imis

atio

nde

I 1.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

360

Page 91: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

lead

apta

tive

On

adap

tela

grill

eau

fur

età

mes

ure

del’é

volu

tion

dela

solu

tion

fm

ais

sans

l’ada

pter

"com

plèt

emen

t".

On

gard

eun

ece

rtai

nein

ertie

dans

les

mou

vem

ents

dela

grill

een

réso

lvan

t

∂Z ∂t

=A

∂ ∂σ

(

w1∂Z

∂σ

)

(141

)

Gén

éral

isat

ions

àpl

usie

urs

dim

ensi

ons

pour

lasi

mpl

eco

ordo

nnée

σ:

ajou

ter

des

conn

ectio

nsho

rizon

tale

spo

urqu

ele

spo

ints

deca

lcul

vois

ins

setr

ouve

ntpa

str

opél

oign

éssu

rla

vert

ical

e

∂Z ∂t

=A

∂ ∂σ

(

w1∂Z

∂σ

)

+B

∂ ∂x

(

w2∂Z ∂x

)

(142

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

361

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gril

lead

apta

tive

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10-5 0

0 5

10

15

20

25

30

z / m

rela

tive

time

N=

40

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

362

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

èles

gigo

gnes

-6-3

03

69

1215

1821

2427

30

Long

itude

34363840424446

Latitude

GH

ER

200

1G

rids

Gril

leca

rtés

ienn

ede

laM

édite

rran

éeet

mod

èle

gigo

gne

duG

olfe

deLi

on

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

363

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gig

ogne

sré

curs

ifs

reso

lutio

n15

reso

lutio

n3’

reso

lutio

n1’

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

364

Page 92: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mul

tiblo

cs

App

roch

em

ultib

loc,

avec

grill

eré

guliè

reet

curv

iliné

aire

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

365

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sui

teet

fin

Cet

tepr

ésen

tatio

na

été

prod

uite

par

LA TEX

avec

prosper.cls

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

366

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

rcic

epr

atiq

ue

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

367

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

rcic

rend

re

•A

rend

repo

urle

13M

ai20

04au

plus

tard

;e-m

ail

( [email protected]

)en

.pdf

,.ps

(éve

ntue

llem

ent

wor

d,m

ais

pas

wor

d200

0)

•L’

énon

cé:

déch

arge

r)

•M

axim

umde

uxpe

rson

nes

par

exer

cice

(sip

asd’

acco

rdtir

age

auso

rt).

De

préf

éren

ce,e

xerc

ice

avec

sché

ma

d’ad

vect

ion

pour

les

ingé

nieu

rsou

phys

icie

ns.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

368

Page 93: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Afa

ire

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

369

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Def

erre

dco

rrec

tion

Siu

neéq

uatio

nco

ntie

ntun

term

eF

com

pliq

uéet

cond

ition

nant

fort

emen

tla

stab

ilité

,on

peut

faire

cequ

’on

appe

lleun

edef

erre

d

corr

ection

sil’o

nar

rive

àtr

ouve

run

eap

prox

imat

ion

Fde

Fqu

el’o

npe

utca

lcul

erde

faço

nim

plic

itefa

cile

men

t.D

ans

ceca

son

disc

rétis

e

Cn+

1=

n+

∆tF

n+

1+

∆t(

Fn−

Fn)

(143)

Sil

’app

roxi

mat

ion

deF

cont

ient

les

term

esdo

min

ants

resp

onsa

bles

ducr

itère

dest

abili

té,c

ette

appr

oche

perm

etde

stab

ilise

rsa

nsde

voir

faire

del’i

mpl

icite

non-

linéa

ire.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

370

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

mpl

e

F=

∂ ∂x

(

(1+

cos2

(ξ))

∂C2 ∂x

)

(144

)

oùξ

varie

rapi

dem

ent

F=

∂ ∂x

(

3C∂

C∂x

)

(145

)

oùC

estl

ava

leur

moy

enne

deC

(pris

cons

tant

ouév

alué

aupa

spr

écéd

ent)

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

371

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

sLa

gran

gien

nes

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

372

Page 94: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

Lagr

angi

enne

Sip

ropr

iété

cons

erva

tive

suiv

rela

part

icul

esu

ffitp

our

avoi

rsa

conc

entr

atio

n.P

asde

diffu

sion

num

ériq

ueas

soci

éeà

l’adv

ectio

n!

∂C ∂t

+∇

·(C

v)

=0

(146

)

enco

ordo

nnée

sla

gran

gien

nes

quis

uive

ntla

part

icul

e

DC

Dt

=0

(147

)

cequ

iveu

tdire

que

estc

onse

rvé

sil’o

nsu

itun

epa

rcel

led’

eau.

Pou

rtr

ouve

rsa

trra

ject

oire

ilfa

utca

lcul

erle

sdé

plac

emen

tsse

lon

Dx

Dt

=v

(148

)

Ilsu

ffira

itdo

ncde

suiv

rele

dépl

acem

entd

ech

aque

parc

elle

d’ea

uin

divi

duel

leda

nsun

cham

pde

vite

sses

donn

é.S

’ily

aun

edi

ffusi

on,i

lfau

tmod

ifier

cette

appr

oche

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

373

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

eth

éoriq

ue

∂C ∂t

+∇

·(C

v)

=Q

−∇

·(C

m)−

∇·d

,(1

49)

d=

−K

·∇

C.

(150)

Sol

utio

nty

piqu

e:re

jetl

ocal

qda

nsun

dom

aine

infin

ietu

nedi

ffusi

on,a

dvec

tion

cons

tant

eav

ecun

eso

urce

Q=

−γC

C(x

,t)

=

∫t

0

q(t−

t′)

√πt′

nex

p

[−

(x−

vt′)2

t′

]

exp

[−γt′]d

t′.

(151)

etsi

reje

tins

tant

ané

duty

peD

irac

C(x

,t)

=q

√πtn

exp

[−

(x−

vt)

2

t

]

exp

(−γt)

,(1

52)

oùn

=1

pour

unpr

oblè

me

uni-d

imen

sion

nel,

n=

2en

2D,e

tn=

3en

3D.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

374

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sol

utio

n

-1

12

34

5

0.2

0.4

0.6

0.81

Fig

ure

13

:C

once

ntrat

ion

dutrac

eur

Cpo

ur

un

reje

tuni-

taire

inst

anta

ne

al’or

igin

e.Evo

lution

pour

t=

0.3,

1,3.

(exe

mpl

esa

ns

decr

oiss

ance

radi

oact

ive

etav

ecune

adve

ctio

nunitai

reve

rsle

sx

croi

s-

sants

).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

375

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

edi

scrè

te1D

•H

ypot

hèse

:un

epa

rtic

ule

àun

mom

entd

onné

peut

soit

avan

cer

d’un

pas

∆x

avec

une

prob

abili

tép,s

oitr

ecul

erd’

unpa

s∆

xav

ecun

epr

obab

ilité

1−

pin

dépe

ndem

men

tdu

pas

préc

éden

t.

•Q

uest

ion:

quel

les

lapr

obab

ilité

que

lapa

rtic

ule

setr

ouve

enun

poin

tdis

cret

m∆

xdo

nné,

mét

antu

nno

mbr

een

tier

posi

tifou

néga

tifsi

onla

rgue

une

part

icul

ede

cety

peen

x=

0et

sion

luil

aiss

efa

iren

pas.

•R

épon

se:

Cal

culd

epr

obab

ilité

clas

siqu

e!

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

376

Page 95: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

epr

obab

ilité

s

•S

iau

tota

lnpa

s(m

doit

donc

être

com

pris

entr

e−

net

n),

ily

enau

rak

vers

les

xpo

sitif

set

par

cons

éque

nt,n

−k

dans

ladi

rect

ion

néga

tive.

•La

prob

abili

téde

faire

kpa

spo

sitif

sn’

estr

ien

d’au

tre

que

lapr

obab

ilité

detir

erk

boul

esro

uges

,lor

sd’

une

série

den

tirag

esno

nex

haus

tifs,

ende

hors

d’un

epo

pula

tion

debo

ules

oùle

nom

bre

debo

ules

roug

esR

estl

iéau

nom

bre

debo

ules

noire

sN

parp

=R

/(R

+N

).

•L’

ordr

ede

spa

sn’

impo

rte

pas

etla

prob

abili

téd’

obte

nirk

boul

esro

uges

estl

apr

obab

ilité

d’ob

teni

rk

boul

esro

uges

etn−

kbo

ules

noire

sda

nsun

ordr

edé

term

iné,

mul

tiplié

par

leno

mbr

ede

poss

ibili

tés

d’or

dre

d’ar

rivée

sdi

ffére

nts.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

377

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

epr

obab

ilité

s

•La

prob

abili

téd’

obte

nirk

boul

esro

uges

etn−

kbo

ules

noire

sda

nsun

ordr

edé

term

iné

ests

impl

emen

tobt

enue

par

leth

éorè

me

des

prob

abili

tés

com

posé

es:p

k(1

−p)(

n−

k).

•Le

nom

bre

poss

ible

d’or

dres

d’ar

rivée

sdi

ffére

nts

amen

antk

boul

esro

uges

estl

eno

mbr

ede

perm

utat

ions

avec

répé

titio

nsde

nél

émen

tsré

part

isen

deux

espè

ces

dek

etn−

k

élém

ents

:C

k n.

•La

prob

abili

téde

trou

verk

boul

esro

uges

parm

iune

série

den

tirag

esex

haus

tifs,

quel

que

soit

l’ord

red’

arriv

éede

sbo

ules

estd

èslo

rsp

n k=

Ck np

k(1

−p)n

−k,

(153)

cequ

icon

stitu

ela

loib

inom

iale

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

378

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

roch

edi

scre

te

Pou

rar

river

enm

,ilf

autq

uele

sk

pas

posi

tifs

seco

mbi

nent

avec

les

n−

kpa

sné

gatif

spo

uram

ener

lepo

inte

nm

∆x

:

k∆

x−

(n−

k)∆

x=

m∆

x(1

54)

soit

2k

=m

+n

.C

ecid

éter

min

ela

vale

urde

ket

nous

conn

aiss

ons

lapr

obab

ilité

d’oc

curr

ence

dece

tévé

nem

ent.

Ilfa

utno

ter

que

sim

+n

estu

nno

mbr

eim

pair,

lapr

obab

ilité

estn

ulle

d’ar

river

enm

,ca

ron

nepe

utar

river

avec

unno

mbr

epa

irde

pas

tota

uxen

unen

droi

tde

coor

donn

éedi

scrè

teim

paire

,pui

sque

l’on

oblig

ela

part

icul

ede

boug

erà

chaq

uepa

s.A

finde

cont

ourn

erle

fait

que

kne

sera

itpa

sen

tier,

nous

pouv

ons

calc

uler

lapr

obab

ilité

que

lapa

rtic

ule

setr

ouve

aupo

intm

oum

+1.

Les

deux

étan

tm

utue

llem

ente

xclu

sifs

etla

prob

abili

téd’

unde

sde

uxét

antn

ulle

(sel

onqu

em

+n

estp

air

ouim

pair)

,la

prob

abili

téd’

avoi

rla

part

icul

een

mou

m+

1es

t

pn k

=C

k np

k(1

−p)n

−k,

(155

)J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.37

9

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

culd

epr

obab

ilité

lapr

obab

ilité

d’av

oir

lapa

rtic

ule

enm

oum

+1

est

pn k

=C

k np

k(1

−p)n

−k,

(156)

oùk

estl

eno

mbr

een

tier

défin

ipar

2k

=m

+n

.(B

ien

sûr,

sim

<−

nou

m>

n,l

apr

obab

ilité

estn

ulle

).S

ion

lanc

eun

gran

dno

mbr

ede

part

icul

esils

sedi

strib

uero

ntda

nsl’e

spac

ese

lon

lalo

ide

prob

abili

téét

ablie

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

380

Page 96: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Res

ulta

t

02468101214

-50

-40

-30

-20

-10

010

2030

4050

100,

n10

0,n+

1

05101520253035404550

-50

-40

-30

-20

-10

010

2030

4050

500

050100

150

200

250 -5

0-4

0-3

0-2

0-1

00

1020

3040

50

2500

Fig

ure

14

:H

isto

gram

me

des

posi

tion

sdi

scre

tes

obte

nues

apre

s10

0iter

atio

ns

d’un

rando

mwal

kdi

scre

t

pour

100,

500

et25

00pa

rtic

ule

s.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

381

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pas

sage

auco

ntin

u

En

obse

rvan

tla

form

ede

lafo

nctio

nde

dist

ribut

ion

14,n

ous

pouv

ons

rem

arqu

erqu

e,po

urnp(1

−p)À

10,e

llere

ssem

ble

fort

emen

tàla

cour

bega

ussi

enne

.D

ans

ceca

s,il

estp

ossi

ble

dedé

mon

trer

que

b∑ k=

a

Ck np

k(1

−p)n

−k∼

1 √2π

∫b+

0.5

−n

p√

np(1−

p)

a−

0.5

−n

p√

np(1−

p)

e−z2/2dz,

(157)

deso

rte

que

lapr

obab

ilité

P(m

,n)

d’av

oir

lapa

rtic

ule

enx

=m

∆x

oux

=(m

+1)∆

xap

rès

npa

ses

t

P(m

,n)∼

1√

np(1

−p)2

πe−

z2/2,

z=

k−

np

np(1

−p),

2k

=m

+n.

(158)

Sip

=1/

2,n

ous

avon

sal

ors

P(m

,n)∼

√2

√nπ

e−z2/2,

z=

m √n

.(1

59)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

382

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pas

sage

auco

ntin

u

P(m

,n)∼

√2

√nπ

e−z2/2,

z=

m √n

.(1

60)

Sin

ous

iden

tifion

sn

com

me

étan

trel

iéau

tem

pst=

n∆

tet

l’esp

ace

x=

m∆

x,n

ous

retr

ouvo

nsla

solu

tion

d’un

edi

sper

sion

auto

urd’

unre

jetp

onct

uele

nfa

isan

tdéc

roîtr

e∆

xet

∆t,

avec

des

défin

ition

sad

équa

tes

pour

les

éche

lles

dete

mps

etd’

espa

ceen

fonc

tion

duco

effic

ient

dedi

sper

sion

(∆x

2∼

κ∆

t).

Pou

rob

teni

rce

tteco

rres

pond

ance

,ils

uffit

d’im

agin

erqu

ele

reje

test

unre

jet

inst

anta

néd’

ungr

and

nom

bre

depa

rtic

ules

.La

conc

entr

atio

nn’

est

alor

srie

nd’

autr

equ

ele

nom

bre

tota

lde

part

icul

esm

ultip

liépa

rla

prob

abili

téP

(m,n

)di

visé

par∆

x.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

383

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dép

lace

men

talé

atoi

res

pour

leca

lcul

dedi

ffusi

onA

ppro

che

fait

pens

erau

mou

vem

entb

row

nien

!P

eut-

ongé

nére

run

code

deca

lcul

dedé

plac

emen

tsal

éato

ires

pour

mod

élis

erla

diffu

sion

tout

enad

vect

ant?

Com

men

tbou

ger

les

part

icul

espo

urqu

ela

loid

edi

ffusi

onE

uler

ienn

ees

trep

rodu

itesi

ona

une

infin

itéde

part

icul

es?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

384

Page 97: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ran

dom

wal

k1D

On

boug

era

une

part

icul

ese

lon

dx

=adt+

bξ(t

)dt,

(161

)

oùξ(

t)es

tune

fonc

tion

aléa

toire

.C

ela

sign

ifie

que

pour

t6=

t′,ξ

(t)

etξ(

t′)

sont

stat

istiq

uem

enti

ndép

enda

nts.

San

snu

ireà

lagé

néra

lité,

onpe

utsu

ppos

erqu

ela

moy

enne

〈ξ〉e

stnu

lle.

Dan

sle

cas

oùce

lane

sera

itpa

sle

cas,

ilsu

ffira

itd’

incl

ure

cette

moy

enne

dans

ladé

finiti

onde

a.

Lafo

nctio

nal

éato

ireξ(

t)po

ssèd

eun

eau

toco

rrél

atio

nnu

llepo

urto

utt6=

t′et

une

varia

nce

infin

ie

〈ξ(t

)ξ(t

′ )〉=

δ(t−

t′).

(162

)

(Le

dépl

acem

enti

nsta

ntan

éal

éato

irene

dépe

ndpa

sdu

dépl

acem

enta

léat

oire

préc

éden

t)ξ:

"bru

itbl

anc"

car

spec

tre

dela

tran

sfor

mée

deF

ourr

ier

plat

.E

npr

atiq

ueil

suffi

td’u

nsp

ectr

epl

atda

nsla

fenê

tre

spec

tral

em

odél

isée

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

385

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Fon

ctio

nde

Wie

ner

W(t

)=

∫t

t 0

ξ(t′)d

t′.

(163)

W(t

)n’

estr

ien

d’au

tre

que

lafo

nctio

nqu

iper

met

deca

lcul

erun

rand

omw

alk

enun

edi

men

sion

.C

ette

fonc

tion

aét

éét

udié

een

déta

ilpa

rW

iene

ret

port

eso

nno

m.

Bie

nqu

eW

(t)

neso

itpa

sdi

ffére

ncia

ble,

nous

pouv

ons

form

elle

men

técr

ire dW

(t)≡

W(t

)−

W(t−

dt)

=ξ(

t)dt

(164)

enl’i

nter

prét

antc

omm

el’i

ntég

rale

diffé

rent

ielle

deξ.

dx

=bξ

(t)d

t=

bdW

(t)

(165)

L’in

tégr

ale

dedW

(t)

perm

ettr

ado

ncde

calc

uler

ledé

plac

emen

tx.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

386

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

prié

tés

dela

fonc

tion

deW

iene

r

dW

poss

ède

les

prop

riété

sst

atis

tique

ssu

ivan

tes

[?]r

ésul

tant

del’i

ndép

enda

nce

stat

istiq

uede

W(t

)et

W(t

+∆

t).

〈dW

(t)〉

=0,

(166

)

2

∫t

t 0

W(t

′ )dW

(t′ )

=W

(t)2

−W

(t0)2

−(t−

t 0)

(167

)

2

∫t

t 0

W(t

′ )dW

(t′ )

=〈W

(t)2〉−

〈W(t

0)2〉−

(t−

t 0)

(168

)

〈dW

(t)2〉=

dt.

(169

)

Cec

ipeu

tbie

nsû

rêt

rein

terp

rété

àla

lum

ière

dum

ouve

men

tbr

owni

enoù

deux

réal

isat

ions

detr

ajec

toire

sal

éato

ires

voie

ntla

dist

ance

entr

ele

sde

uxpa

rtic

ules

augm

ente

rco

mm

e√

t−

t 0.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

387

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Réa

lisat

ions

dela

fonc

tion

deW

iene

r

Une

réal

isat

ion

detr

ajec

toire

s15

perm

etde

cons

tate

rqu

ele

str

ajec

toire

sso

ntef

fect

ivem

ente

rrat

ique

set

que

ladi

stan

ceen

tre

les

traj

ecto

ires

croî

tcom

me√

t.

-50

-40

-30

-20

-1001020

010

020

030

040

050

060

070

080

090

010

0011

00

1 2 3 4

0

200

400

600

800

1000

1200

010

020

030

040

050

060

070

080

090

010

0011

00

10 100 x

Fig

ure

15

:Illu

stra

tion

dupr

oces

sus

deW

iener

.4

tra-

ject

oire

sx

i(t)

gener

ees

par

un

bruit

blan

cet

〈(x

i(t)−

xj(t

))2〉p

our

10et

100

part

icule

s.J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.38

8

Page 98: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

App

licat

ion

àno

tre

dépl

acem

ent

∫t

t 0

bξ(t

′ )dt′

=

∫t

t 0

bdW

(170

)

Sil

esa

etb

sont

des

fonc

tions

dex,t

,alo

rson

obtie

ntde

séq

uatio

nsdi

ffére

ntie

lles

dite

s"é

quat

ions

diffé

rent

ielle

sst

ocha

stiq

ues

deIto

".Le

urm

anip

ulat

ion

mat

hém

atiq

uedo

itse

faire

avec

préc

autio

n.E

nef

fet,

sif(x

)es

tune

fonc

tion

quid

épen

dde

x,o

ùx

satis

fait

dx

=a[x

(t),

t]dt+

b[x(t

),t]dW

(t),

(171

)

alor

son

souh

aite

savo

irco

mm

entf

varie

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

389

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dép

lace

men

t

df[x

(t)]

=f[x

(t)+

dx(t

)]−

f[x

(t)]

=dx(t

)df

dx

+1 2(d

x(t

))2d

2f

dx

2+

O(d

3)

=(a

dt+

bdW

)df

dx

+1 2b2

(dW

)2d

2f

dx

2+

O(d

3)

(172)

df

=

(

adf

dx

+1 2b2

d2f

dx

2

)

dt+

bdf

dx

dW

(t).

(173)

Pou

rl’o

bten

ir,no

usav

ons

dûga

rder

les

term

esqu

adra

tique

spo

urm

aint

enir

les

fluct

uatio

nsen

(dW

(t))

2=

dt.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

390

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Evo

lutio

nde

lam

oyen

ne

Cet

teéq

uatio

nno

uspe

rmet

dedé

term

iner

l’évo

lutio

nde

lam

oyen

nest

ocha

stiq

uede

f

⟨df dt

=d〈f〉

dt

=

adf

dx

+1 2b2

d2f

dx

2

,(1

74)

puis

que

lam

oyen

nede

sflu

ctua

tions

stoc

hast

ique

sdW

estn

ulle

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

391

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Dis

trib

utio

nde

prob

abili

Den

sité

depr

obab

ilité

p(x

,t|x

0,t

0),

quid

onne

lapr

obab

ilité

que

lapa

rtic

ule

lâch

éeen

x=

x0

ent=

t 0se

trou

veen

tre

xet

x+

dx

ent.

Pou

run

efo

nctio

nf(x

)qu

idép

end

dela

posi

tion

xde

lapa

rtic

ule,

onpe

utca

lcul

erla

vale

urla

plus

prob

able

enun

inst

antt

donn

é(o

ula

vale

urm

oyen

nepo

urun

gran

dno

mbr

ede

réal

isat

ions

)

〈f〉=

p(x

,t|x

0,t

0)f

(x)d

x.

(175)

⟨df dt

=

∫∂p(x

,t|x

0,t

0)

∂t

f(x

)dx,

(176)

que

nous

pouv

ons

tran

sfor

mer

àl’a

ide

de(1

74)

en

∫∂p(x

,t|x

0,t

0)

∂t

f(x

)dx

=

∫(

adf

dx

+1 2b2

d2f

dx

2

)

p(x

,t|x

0,t

0)d

x.

(177)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

392

Page 99: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

ndi

ffére

ntie

llepo

urp

Par

une

inté

grat

ion

par

part

ies

eten

utili

sant

des

cond

ition

sau

xlim

ites

adéq

uate

squ

iann

ulen

tles

term

esde

surf

ace

[?],

onob

tient

∫∂p(x

,t|x

0,t

0)

∂t

f(x

)dx

=

f(x

)

(

−∂ap(x

,t|x

0,t

0)

∂x

+1 2

∂2b2

p(x

,t|x

0,t

0)

∂x

2

)

dx.

(178

)

Pui

sque

lafo

nctio

nf

estq

uelc

onqu

e,no

usob

teno

nsl’é

quat

ion

d’év

olut

ion

pour

lafo

nctio

nde

dens

itéde

prob

abili

tép

∂p(x

,t|x

0,t

0)

∂t

=−

∂ap(x

,t|x

0,t

0)

∂x

+1 2

∂2b2

p(x

,t|x

0,t

0)

∂x

2.

(179

)

Cet

teéq

uatio

nes

tcon

nue

sous

leno

md’

équa

tion

deF

okke

r-P

lanc

k.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

393

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lien

avec

l’adv

ectio

ndi

ffusi

on

sino

usim

agin

ons

unre

jetd

’un

gran

dno

mbr

eN

depa

rtic

ules

régi

espa

r(1

65),

ces

part

icul

esau

ront

une

dist

ribut

ion

Np(x

,t|x

0,t

0).

Sin

ous

voul

ons

que

cette

dist

ribut

ion

corr

espo

nde

auré

sulta

td’u

nead

vect

ion-

diffu

sion

,ilf

audr

aitq

uece

ttedi

strib

utio

nco

rres

pond

laco

ncen

trat

ion

d’un

trac

eur

reje

téen

x0,t

0et

adve

cté-

diffu

sépa

rl’é

quat

ion

∂C ∂t

=−

∂ ∂x

(uC

)+

∂ ∂x

(

κ∂C ∂x

)

.(1

80)

Ils’

ensu

itqu

eno

usav

ons

une

équi

vale

nce

si

a=

u+

∂κ

∂x

,

b=

√2κ.

(181)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

394

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Gén

éral

isat

ion

àpl

usie

urs

dim

ensi

ons

Not

ons

que

lagé

néra

lisat

ion

àpl

usie

urs

dim

ensi

ons

s’éc

rit[?

]

dx

=a(x

,t)d

t+

B·dW

(t),

a=

u+

∇·(K

),

BB

=2K

.

(182

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

395

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

èles

disc

rets

Dan

sle

sm

odèl

esnu

mér

ique

s,on

voud

rait

bien

ente

ndu

rem

plac

erle

sdi

ffére

ntie

lles

par

des

diffé

renc

esfin

ies

x(t

+∆

t)=

x(t

)+

∫t+

∆t

t

a[x

(t′ )

,t′ ]dt′

+

∫t+

∆t

t

bdW

.(1

83)

Sil

’on

supp

ose

que

bne

varie

pas

defa

çon

sign

ifica

tive

entr

et

ett+

∆t

ains

iqu’

entr

ex

etx(t

+∆

t),o

npe

utap

prox

imer

lede

rnie

rte

rme

par

∫t+

∆t

t

bdW

=b[

x(t

),t](W

(t+

∆t)−

W(t

)).

(184)

Ilsu

ffitd

onc

desa

voir

com

men

tse

com

port

ela

fonc

tion

deW

iene

rqu

iest

l’int

égra

ledu

brui

tbla

nc.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

396

Page 100: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∫t+

∆t

t

bdW

=b[

x(t

),t](W

(t+

∆t)−

W(t

)).

(185

)

Eta

ntdo

nné

que

dW

estu

nefo

nctio

nal

éato

irede

dist

ribut

ion

gaus

sien

ned’

écar

ttyp

e√

dt,

l’int

égra

lepe

utêt

reap

prox

imée

par

∫t+

∆t

t

bdW

=b[

x(t

),t]√

∆tr,

(186

)

oùr

estu

neva

riabl

eal

éato

irede

dist

ribut

ion

gaus

sien

nede

moy

enne

nulle

etd’

écar

ttyp

eun

itaire

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

397

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rem

plac

emen

td’u

nedi

strib

utio

nga

ussi

enne

par

une

autr

edi

strib

utio

n

Si∆

tes

tsuf

fisam

men

tpet

itpa

rra

ppor

tau

tem

psca

ract

éris

tique

dela

solu

tion

cher

chée

,on

peut

rem

plac

erl’u

tilis

atio

nde

ladi

strib

utio

nga

ussi

enne

enfa

isan

tapp

elau

théo

rèm

ede

lalim

itece

ntra

le.

Theo

rem

ede

lalim

ite

centrale

:S

ion

cons

idèr

eun

eva

riabl

eal

éato

ireX

quie

stla

som

me

deno

mbr

euse

sva

riabl

esal

éato

ires

Xi

indé

pend

ante

sam

ais

dedi

strib

utio

nqu

elco

nque

dem

oyen

nenu

lleet

d’éc

artt

ype

σi,

alor

sla

dist

ribut

ion

dela

varia

ble

aléa

toire

X

estg

auss

ienn

ede

moy

enne

nulle

etva

rianc

2=

2 i,d

eso

rte

que

laso

mm

eσ−

1(∑

iX

i)po

ssèd

eun

edi

strib

utio

nga

ussi

enne

d’éc

artt

ype

unita

ire.

aC

ette

condit

ion

est

enfa

ittr

opre

stri

ctiv

e;il

suffi

ten

pri

nci

pe

que

laco

rrel

atio

nen

tre

Xi

etX

jdec

rois

sesu

ffisa

mm

ent

rapid

e-

men

tquan

d|i−

j|→

∞.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

398

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

séqu

ence

Cel

ave

utdi

requ

e,si

lepa

sde

tem

pses

tsuf

fisam

men

tpet

itpo

urqu

el’o

nef

fect

ueun

gran

dno

mbr

ede

pas

pour

suiv

reun

sign

alte

mpo

reld

onné

,la

fonc

tion

aléa

toire

utili

sée

pour

boug

erle

spa

rtic

ules

impo

rte

peu,

pour

vuqu

esa

moy

enne

soit

zéro

etqu

eso

néc

artt

ype

soit

(∆t)

,car

dans

ceca

s,la

com

bina

ison

den

pas

élém

enta

ires

(non

-gau

ssie

ns)

corr

espo

ndra

àun

pas

dedi

strib

utio

nga

ussi

enne

d’éc

artt

ype

(n∆

t).

Aut

rem

entd

it,la

part

ieal

éato

iredu

mou

vem

entd

oits

efa

iresu

run

edi

stan

cede

√2κ∆

tr

sile

nom

bre

aléa

toire

rpo

ssèd

eun

edi

strib

utio

nd’

écar

t-ty

peun

itaire

etde

moy

enne

nulle

.S

ile

pas

dete

mps

devi

entp

lus

gran

d,il

faut

que

∆W

corr

espo

nde

àun

edi

strib

utio

nga

ussi

enne

etil

faud

rait

boug

erle

spo

ints

de√

2κ∆

tr,

oùle

nom

bre

aléa

toire

res

tdis

trib

uése

lon

une

gaus

sien

nede

moy

enne

nulle

etd’

écar

ttyp

eun

itaire

. J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

399

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Alg

orith

me

d’av

ectio

n

En

prat

ique

calc

ulqu

irem

onte

lete

mps

nepe

rmet

pas

dere

veni

rau

poin

tde

dépa

rt(ir

réve

rsib

ililté

).D

ispe

rsio

nde

part

icul

espo

ssib

les.

Car

l’int

égra

tion

num

ériq

uede

∫t+

∆t

t

u[x

(t′ )

,t′ ]dt′

(187)

n’es

tpas

néce

ssai

rem

entr

éver

sibl

e.Il

faut

égal

emen

tque

∆tU

etle

sché

ma

d’in

tégr

atio

npe

rmet

tede

suiv

rele

sva

riatio

nsdu

cour

ant.

−u(x

n+

1,t

n+

1)∆

t

u(x

n,t

n)∆

t

xn

xn+

1

6=

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

400

Page 101: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

Lagr

angi

en-E

uler

ien

•La

gran

gien

?P

as(o

um

oins

)de

diffu

sion

num

ériq

ue?

Diffi

culté

spo

urca

lcul

erle

sin

tera

ctio

nsen

tre

trac

eurs

(var

iatio

nsde

conc

entr

atio

nsen

ajou

tant

/ret

irant

des

poin

ts?)

?D

eman

ded’

inte

rpol

atio

ns/m

oyen

nes

pour

l’ana

lyse

des

résu

ltats

?P

erte

depa

rtic

ules

aubo

rdet

conc

entr

atio

nde

part

icul

esau

xen

droi

tsde

faib

leco

uran

ts?

Néc

essi

téde

"res

tart

"(a

vec

diffu

sion

num

ériq

ue)

?C

oûtr

elat

ivem

enté

levé

en3D

(bea

ucou

pde

part

icul

espa

run

itéde

volu

me

pour

stat

istiq

ues

vala

bles

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

401

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

para

ison

Lagr

angi

en-E

uler

ien

•E

uler

ien

?C

ontr

ôle

dela

cons

erva

tion

?Lo

isd’

inte

ract

ions

etdi

ffusi

ons

dire

ctem

entd

iscr

étis

able

s?

Rés

olut

ion

conn

uem

ais

cond

ition

née

par

lepr

oces

sus

lepl

uspe

tità

réso

udre

(dom

mag

esi

éche

lles

très

diffé

rent

essu

rle

cham

pde

vite

sse

etde

str

aceu

rs)

?D

iffus

ion

num

ériq

ueso

uven

téle

vée

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

402

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

sS

emi-L

agra

ngie

nnes

Pro

blèm

ede

sm

odèl

esLa

gran

gien

s:C

alcu

lsde

term

sde

diffu

sion

,in

tera

ctio

nset

c...f

orm

ulés

ente

rmes

deco

ncen

trat

ions

alor

squ

ela

mét

hode

donn

eun

edi

strib

utio

nde

part

icul

es.

(dem

ande

réin

terp

olat

ions

/com

ptag

essu

run

grill

edi

scrè

te).

De

plus

cert

aine

sré

gion

sse

vide

ntde

part

icul

es.

Idée

des

mét

hode

sse

mi-la

grangi

ennes

:P

rend

reun

setd

epa

rtic

ules

qui,

àla

finde

l’int

égra

tion

(ou

ungr

and

pas

dete

mps

)ar

river

ont

sur

une

grill

eré

guliè

reet

yef

fect

uer

des

disc

rétis

atio

nscl

assi

ques

sur

les

term

esno

n-ad

vect

ifs.

Rev

ient

àre

mon

ter

pour

chaq

uepo

intd

’une

grill

eré

guliè

rele

cour

antp

our

trou

ver

l’inf

orm

atio

nqu

iarr

iver

cepo

intd

iscr

eten

t+

∆t.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

403

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sem

i-Lag

rang

ien

1:

Fig

ure

17

:Rec

herc

hede

l’or

igin

ede

spo

ints

arri

vees

sur

une

grille

regu

lier

een

t+

∆t

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

404

Page 102: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Rem

onté

edu

cour

ant

Rem

onte

rle

cour

ant

•de

man

dequ

el’o

nco

nnai

sse

lech

amp

deco

uran

tdur

ant

l’int

erva

llede

tem

psco

nsid

éré

(cad

enpr

atiq

ueun

pas

dete

mps

sile

mod

èle

utili

sele

sin

stan

tsn

etn

+1

•de

man

deun

calc

ulde

traj

ecto

ires

"com

pliq

ué"

si∆

x≥

U∆

t.

•te

rmes

sour

ces

éval

ués

auco

urs

dela

traj

ecto

ire(d

iffici

lepo

urle

sin

tera

ctio

ns)

ouau

poin

td’a

rriv

ée(s

impl

eca

rgr

ille

régu

lière

).

•in

trod

uitu

nedi

ffusi

onnu

mér

ique

sil’i

nter

pola

tion

aupo

intd

edé

part

estl

inéa

ire(s

iU∆

t≤

∆x

lesc

hém

aes

td’a

illeu

rsle

sché

ma

upw

ind

).P

our

des

inte

rpol

atio

nsd’

ordr

esu

périe

uron

intr

odui

tune

disp

ersi

on.

•C

ontr

ôle

plus

diffi

cile

dela

cons

erva

tion

Mai

sal

ors

quel

avan

tage

par

rapp

ortà

l’up

win

d?

Car

l’upw

ind

nefa

itqu

ere

mon

ter

leco

uran

tde

U∆

tpo

ury

inte

rpol

erlin

éaire

men

tla

vale

ur.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

405

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ava

ntag

esde

lam

étho

deS

emi-L

agra

ngie

nne

•st

abili

této

ujou

rsas

suré

esi

latr

ajec

toire

estc

alcu

lée

corr

ecte

men

t(la

vale

urde

Cse

rato

ujou

rsin

terp

olée

,jam

ais

extr

apol

ée)

•m

oins

dedi

ffusi

onnu

mér

ique

sil’o

nin

terp

ole

moi

nsso

uven

t(p

asde

tem

pspl

usgr

ands

)

•S

ile

cour

ante

sttr

èsva

riabl

e,la

stab

ilité

(etd

iffus

ion

num

ériq

ue)

n’es

tpas

impo

sée

par

leC

FL

lepl

usre

stric

tif

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

406

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sem

i-Lag

rang

ien

vsE

uler

ien

•E

uler

ien:

plus

faci

lede

cont

role

rco

nser

vatio

net

posi

tivité

•S

emi-L

agra

ngie

n:pl

usde

calc

uls

par

pas

dete

mps

mai

spo

ssib

ilité

d’av

oir

des

pas

dete

mps

plus

gran

ds

•G

rand

spa

sde

tem

psen

Sem

i-Lag

rang

ien

poss

ible

sica

lcul

sde

traj

ecto

ires

sedé

plaç

ants

urpl

usie

urs

pas

degr

illes

est

poss

ible

etqu

ele

forc

age

neva

riepa

str

opdu

rant

cedé

plac

emen

t

•S

emi-L

agra

ngie

nes

tdon

cav

anta

geux

pour

l’adv

ectio

nde

trac

eurs

cons

erva

tifs

dans

unch

amp

devi

tess

equ

ivar

iele

ntem

ent.

Sid

epl

usle

cham

pde

vite

sses

varie

peu

dans

l’esp

ace,

une

grill

esp

atia

lepl

usgr

ossi

ère

que

dans

leca

sE

ulér

ien

peut

être

choi

sie.

•S

emi-L

agra

ngie

ntr

èsin

tére

ssan

tsiu

nesé

riede

trac

eurs

doiv

entê

tre

adve

ctée

(ledé

plac

emen

tde

l’adv

ectio

net

l’int

erpo

latio

nau

poin

tde

dépa

rtse

ront

les

mêm

espo

urto

us)

•E

nco

ordo

nnée

seu

lérie

nnes

sphé

rique

sla

stab

ilité

est

cond

ition

née

par

lepa

sd’

espa

cele

plus

petit

quit

end

vers

zéro

aux

pôle

ssi

une

grill

elo

ngitu

de-la

titud

ees

tutil

isée

.E

vité

enLa

gran

gien

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

407

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Out

ilsd’

anal

yse

deré

sulta

ts/d

onné

es

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

408

Page 103: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

blèm

ed’

initi

alis

atio

n

6-

ey

ex

Fig

ure

18

:D

istr

ibution

dedo

nnee

sda

ns

un

plan

hori

zonta

l

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

409

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpol

atio

nvs

appr

oxim

atio

n

•In

terp

olat

ion

stric

te:

pass

age

par

les

poin

ts(p

asd’

erre

ursu

rle

sdo

nnée

s)

•A

ppro

xim

atio

n(o

uan

alys

e):

cour

bepl

uslis

sepr

oche

des

donn

ées

(per

met

donn

ées

mul

tiple

set

diffé

rent

esau

mêm

epo

int)

Fig

ure

19

:In

terp

olat

ion

par

spline

cubi

que

etap

prox

i-J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.41

0

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpol

atio

npa

rtr

iang

ular

isat

ion

Pou

rch

aque

poin

toù

l’on

veut

avoi

run

eva

leur

:ch

erch

erle

tria

ngle

dans

lequ

elil

setr

ouve

etin

terp

oler

linéa

irem

entd

ans

letr

iang

le.

6-

ey

ex

Fig

ure

20

:Tri

angu

lari

sation

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

411

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpol

atio

npa

rpo

ndér

atio

nde

sdo

nnée

s

On

effe

ctue

sim

plem

entu

neso

mm

epo

ndér

éede

tout

esle

sdo

nnée

sen

donn

antp

lus

depo

ids

aux

donn

ées

proc

hes

φ(x

)=

∑N

di=

1w

i(x,x

i)d

i∑

Nd

i=1w

i(x,x

i)(1

88)

Par

exem

ple

wi(x,x

i)=

e−‖x

−x

i‖2/R

2

(189)

oùle

para

met

reR

mes

ure

lera

yon

d’in

fluen

ced’

une

donn

éesu

rl’i

nter

pola

tion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

412

Page 104: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpol

atio

nop

timal

e,an

alys

eob

ject

ive

Inte

rpol

atio

nqu

imin

imis

el’e

rreu

rex

pect

éde

l’int

erpo

latio

n.P

ossi

ble

sil’o

nco

nnai

tla

cova

rianc

ede

spo

ints

.E

nef

fet:

Min

imis

er

e2(x

)=

[ϕ(x

)−

ϕt(x

)]2

(190

)

dési

gne

lam

oyen

nest

atis

tique

duch

amp

ϕin

terp

olé

etϕ

tes

tle

cham

pré

el(in

conn

u).

Sil

ech

amp

inte

rpol

ées

test

imé

com

me

com

bina

ison

linéa

irede

sN

ddo

nnée

s:

ϕ(x

)=

Nd

∑ i=1

r i(x

)d

i(1

91)

On

choi

sitl

esfo

nctio

nsr i

deso

rte

àm

inim

iser

l’err

eur

expe

ctée

e2:

e2(x

)=

[N

d∑ i=

1

r i(x

)d

i−

ϕt(x

)]2

(192

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

413

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Inte

rpol

atio

nop

timal

e

On

choi

sitl

esr i

deso

rte

àm

inim

iser

e2:

e2(x

)=

[N

d∑ i=

1

r i(x

)d

i−

ϕt(x

)]2

(193)

Sir

estl

eve

cteu

rco

nstit

uté

par

les

r iet

dle

vect

eur

dedo

nnée

s

e2(x

)=

[rTd−

ϕt(x

)]2

t(x

)2+

rTdd

Tr−

t(x

)dTr

(194)

On

peut

donc

défin

irla

mat

rice

deco

varia

nce

D

D=

dd

T(1

95)

etco

varia

nce

des

donn

ées

avec

lech

amp

réel

rech

erch

éà

l’end

roit

xoù

l’on

inte

rpol

e:

g=

ϕt(x

)d(1

96)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

414

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Min

imis

atio

n

e2(x

)=

ϕt(x

)2+

rTD

r−

2g

Tr

t(x

)2−

gTD

−1g+

(r−

D−

1g)T

D(r

−D

−1g)

(197

)

Lem

inim

umes

tatte

int(

carD

estu

nem

atric

esy

mm

étriq

uedé

finie

posi

tive)

quan

dr

=D

−1g

(198

)

etle

min

imum

vaut

min

e2(x

)=

ϕt(x

)2−

gTD

−1g

(199

)

alor

squ

ele

cham

pin

terp

olé

aupo

intx

vaut

ϕ(x

)=

Nd

∑ i=1

r i(x

)d

i=

rTd

=g

TD

−1d

(200

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

415

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Com

men

tdét

erm

iner

Det

g

On

supp

ose

que

les

erre

urs

sur

les

mes

ures

ε iso

ntdé

core

llées

entr

e-el

les

etav

ecla

cham

pré

eli.e

.

di=

ϕt(x

i)+

ε i(2

01)

ε iε j

2δ i

j(2

02)

ε iϕ

t=

0(2

03)

Dan

sce

cas (D

) ij

t(x

i)ϕ

t(x

j)+

σ2δ i

j=

ε2c(

xi,

xj)+

σ2δ i

j(2

04)

g i=

ϕt(x

)di=

ε2c(

x,x

i)(2

05)

oùc(

x,x

i)es

tla

fonc

tion

deco

rrel

atio

n(c

ovar

ianc

edi

visé

epa

rla

varia

nce

dusi

gnal

φ)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

416

Page 105: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Fon

ctio

nde

corr

elat

ion

etbr

uit

Lafo

nctio

nde

corr

elat

ion

ains

ique

lebr

uits

urle

sdo

nnée

doiv

ente

tre

conn

us(p

arst

atis

tique

ssu

rde

sdo

nnée

sou

apr

iori)

Exe

mpl

ede

fonc

tion

deco

rrel

atio

n:

c(x,x

i)=

e−‖x

−x

i‖2/R

2

(206

)

ϕ(x

)=

Nd

∑ i=1

r i(x

)d

i=

rTd

=g

TD

−1d

(207

)

D−

1d

nedé

pend

pas

dex

etl’i

nver

sion

estf

aitu

nese

ule

fois

.E

nsui

teil

faut

sim

plem

entc

alcu

lerg

pour

chaq

uepo

intà

inte

rpol

erà

l’aid

ede

g i=

ϕt(x

)di=

ε2c(

x,x

i)(2

08)

De

plus

,on

aun

ees

timat

ion

del’e

rreu

rd’

inte

rpol

atio

nen

chaq

uepo

int:

min

e2(x

)=

ϕt(x

)2−

gTD

−1g

=ε2

−g

TD

−1g

(209

)

Err

eur

indé

pend

ante

dela

vale

urde

sdo

nnée

s!

Seu

lem

entl

aJ.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.41

7

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

ibra

tion

dela

mét

hode

•C

hoix

dela

fonc

tion

deco

rrél

atio

n?

?S

ouve

ntce

type

defo

nctio

nsou

des

fonc

tions

calir

brée

ssu

rde

gran

dsen

sem

bles

dedo

nnée

spo

urpo

uvoi

rfa

irede

ses

timat

ions

stat

istiq

ues

corr

ecte

s.?

Rap

port

sign

albr

uitε

2/σ

2:

souv

entu

tilis

éco

mm

epa

ram

ètre

deca

libra

ge(p

lus

oum

oins

subj

ectiv

e)de

l’ana

lyse

?E

rreu

pas

seul

emen

tins

trum

enta

lmai

ség

alem

entd

ere

prés

enta

tivité

etsy

nopt

icité

•C

oûté

levé

esi

beau

coup

dedo

nnée

s:N

3 d(in

vers

ion

deD

).

•P

ropa

gatio

nde

l’inf

orm

atio

trav

ers

des

îles

etco

ntin

ents

car

fonc

tions

deco

rrel

atio

nsso

uven

tfon

ctio

nsan

alyt

ique

sis

otro

pes

nepe

rmet

tant

pas

dete

nir

com

pte

des

anis

otro

pies

spat

iale

s.

Pou

rré

duire

cert

ains

dece

spr

oblè

mes

:re

tirer

des

donn

ées

unch

amp

(dit

de

refe

rence

)qu

iest

lam

eille

ure

estim

atio

na

pri

ori

duch

amp

àin

terp

oler

(reg

ress

ion

linéa

ire,s

ituat

ion

clim

atiq

ue,s

olut

ion

théo

rique

...)

afin

dene

trav

aille

rqu

’ave

cde

san

omal

ies

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

418

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Spl

ines

J[ϕ

]=

Nd

∑ i=1

µi[d

i−

ϕ(x

i,y i

)]+‖ϕ

‖2(2

10)

µi

mul

tiplic

ateu

rsde

Lagr

ange

pour

forc

erle

pass

age

dela

solu

tion

ϕpa

rle

sdo

nnes

di:

di−

ϕ(x

i,y i

)La

norm

e‖

‖m

esur

ela

varia

bilit

édu

cham

pet

pour

une

splin

ecl

assi

que

1Dla

norm

ees

t

‖ϕ‖2

=

L

(∂

∂x

2

)2

dx

(211

)

Pou

rde

ssp

lines

sous

tens

ions

‖ϕ‖2

=

L

[(

∂2ϕ

∂x

2

)2

1

(∂ϕ

∂x

)2]

dx

(212

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

419

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Var

iatio

nalI

nver

seM

etho

d:V

IM

J[ϕ

]=

Nd

∑ i=1

µi[d

i−

ϕ(x

i,y i

)]2

+‖ϕ

−ϕ

b‖2

(213)

‖ϕ‖

=

D

(α2∇∇

ϕ:∇∇

ϕ+

α1∇

ϕ·∇

ϕ+

α0ϕ

2)d

x.

(214)

µ=

ε2 σ2

L2

(215)

•U

tilis

atio

nd’

anom

alie

sϕ−

ϕb

•pa

sde

pass

age

exac

taux

poin

tsm

ais

rapp

elve

rsle

sva

leur

sob

serv

ées

(pén

alis

atio

n).

•te

rme

enα

2da

nsla

norm

eafi

nde

forc

erle

sex

trap

olat

ions

(des

anom

alie

s)ve

rszé

ro

•ε2

/σ2

estl

era

ppor

tsig

nal/b

ruit

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

420

Page 106: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Eul

er-L

agra

nge

dela

min

imis

atio

nde

lafo

nctio

nelle

α2∆

2ϕ−

α1∆

ϕ+

α0ϕ

=N

d∑ i=

1

µi(

ϕ−

di)

δ(x−

xi)

(216

)

+2

cond

ition

sau

xlim

ites

natu

relle

s(s

urdé

rivée

sde

uxiè

mes

ettr

oisi

èmes

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

421

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sol

utio

nfo

rmel

le

ϕ=

kTD

−1d,

Dij

=K

(xi,

xj)+

1 µδ i

j(2

17)

avec

ki=

K(x

,xi)

quif

aita

ppel

auno

yeau

K(x

,xi)

solu

tion

de

α2∆

2K

−α

1∆

K+

α0K

=δ(

x−

xi)

(218)

En

prat

ique

onne

calc

ule

pas

cette

fonc

tion

K,m

ais

iles

tins

truc

tifde

laca

lcul

erda

nsun

dom

aine

infin

ipou

rdi

ffére

ntes

vale

urs

deα

i.E

xem

ple:

α2

=1,

α1

=2L

−2,α

0=

L−

4fo

urni

tK

(x,x

i)=

K(x

−x

i)=

K(r

)=

L2

r LK

1(r

/L)

0.5

11.5

22.5

3

0.2

0.4

0.6

0.81

rK1(r

)J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.42

2

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lien

avec

l’ana

lyse

obje

ctiv

e,B

enne

t199

2

•O

Aet

VIM

font

une

com

bina

ison

linéa

irede

sdo

nnée

s

•O

Aet

VIM

cont

ienn

entl

ano

tion

delo

ngeu

rde

corr

elat

ion

etra

ppor

tsig

nal/b

ruit

•O

Aet

VIM

filtr

ent

→S

imila

rité

plus

pous

sée?

Mét

hode

séq

uiva

lent

esda

nsun

dom

aine

infin

isil

afo

nctio

nde

corr

elat

ion

del’O

Aes

tide

ntiq

ueau

noye

audu

VIM

etqu

ele

rapp

orts

igna

lbru

itS/N

esti

dent

ique

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

423

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

OA

VIM

OA

VIM

Min

.e2

(x)

=[ϕ

(x)−

ϕt(x)]

2J[ϕ

]≡

∑N

di=

i[d

i−

ϕ(x

i)]2

+‖ϕ

‖2

Sol

.ϕ(x

)=

cT(x

)D−

1d

ϕ(x

)=

kT(x

)D−

1d

Cor

r.[D

] ij

=c(

xi,x

j)+

σ2

ε2δ i

j[D

] ij

=K

(xi,x

j)+

1 µδ i

j

Cov

.[c

] i=

c(x,x

i)[k

] i=

K(x

,xi)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

424

Page 107: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Diff

éren

ces

OA

etV

IM

•F

unct

ions

deco

rrel

atio

des

fron

tière

set

îles

(leV

IMne

couv

requ

ele

dom

aine

réel

)

•O

Ape

rmet

unch

oix

libre

dela

fonc

tion

deco

rrel

atio

n,le

VIM

seul

emen

tun

choi

xpa

ram

étriq

ue(c

oeffi

cien

tsα

i)

•M

étho

dede

réso

lutio

ndi

ffére

nte

etco

ûtdi

ffére

nts

•V

IMpe

rmet

des

fonc

tions

deco

rrel

atio

nno

n-is

otro

pes

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

425

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Res

olut

ion

prat

ique

VIM

•P

robl

ème

ellip

tique

2D

•A

ppro

che

élém

ents

finis

min

J=

min

∑N

e

e=

1J

e

•S

urch

aque

élém

ent,

fonc

tions

defo

rme

dutr

oisi

ème

ordr

es

avec

conn

ecte

urs

qe

quia

ssur

ents

olut

ion

C1

•φ

e=

qT es

•J

e=

qT eK

eq

e−

2q

T eg

+∑

id2 i

•K

estl

am

atric

ede

rigid

itéet

gle

vect

eur

dech

arge

qui

mes

ure

l’infl

uenc

ede

chaq

uedo

nnée

sur

chaq

ueco

nnec

teur

del’é

lém

entg

=T

2d

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

426

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Min

imis

atio

ngl

obal

e

•J

=q

TK

q−

2q

Tg

+∑

id2 i

•→

q=

K−

1g

De

là,s

olut

ion

glob

ale

via

reco

nstr

uctio

nde

φà

part

irde

sco

nnec

teur

set

les

func

tions

defo

rme.

φ(x

)=

T1(x

)q=

T1(x

)K−

1T

2(x

)d

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

427

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Val

idat

ion

croi

sée

etca

rtes

d’er

reur

•O

Ape

rmet

deca

lcul

erla

barr

ed’

erre

ur

•M

ais

équi

vale

nce

entr

eV

IMet

OA

→E

ploi

ter

cette

équi

vale

nce

pour

calc

uler

une

cart

ed’

erre

uren

VIM

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

428

Page 108: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

OA

VIM

Pou

rO

Aϕ(x

)=

cT(x

)D−

1d,

(219

)

oùD

estl

am

atric

ede

cova

rianc

ede

sdo

nnée

set

c(x

)le

vect

orde

cova

rianc

esen

tre

chaq

ueob

serv

atio

net

lech

amp

enx

Pou

rV

IMφ(x

)=

T1(x

)q=

T1(x

)K−

1T

2(x

)d(2

20)

On

supo

sec

T(x

)D−

1∼

T1(x

)K−

1T

2(x

)et

àpa

rtir

del’e

stim

atio

nde

l’err

eur

deO

A:

e2(x

)=

ε2(x

)−

cT(x

)D−

1c(x

),(2

21)

ones

time

l’err

eur

dans

VIM

e2(x

)=

ε2(x

)−

T1(x

)K−

1T

2(x

)c(x

)(2

22)

oùla

fonc

tion

deco

rrel

atio

ndo

itêt

refo

urni

eau

VIM

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

429

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mat

rice

derig

idité

L’in

vers

ion

dela

mat

rice

derig

idité

nedo

itêt

refa

itequ

’une

seul

efo

is,e

nsui

tela

déco

mpo

sitio

nLU

peut

être

réut

ilisé

epo

urle

calc

uld’

erre

ur

OA

VIM

Inve

rsio

n1 6N

3 dN

5/2

l

Ana

lyse

(san

sin

vers

ion)

NφN

dN

φN

l

Cal

culd

’err

eur

(san

sin

vers

ion)

NφN

2 dN

φN

2 l

Table

2:C

ompa

riso

nde

sco

uts

deca

lculpo

ur

OA

etV

IM.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

430

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

mul

tivar

iée

Les

donn

ées

pour

raie

ntêt

rede

natu

redi

ffére

nte:

Exe

mpl

es

•m

esur

ede

vite

sse

etde

dens

ité

•m

esur

esd’

azot

eet

dech

loro

phyl

le

•m

esur

esde

CO

2et

chlo

roph

ylle

•...

On

pour

rait

anal

yser

chaq

uese

tde

donn

ées

defa

çon

indé

pend

ante

.

Per

ted’

info

rmat

ion:

cova

rianc

esen

tre

varia

bles

àca

use

delie

nsph

ysiq

ues

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

431

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ana

lyse

mul

tivar

iée

dede

uxch

amps

par

OA

Soi

tent

des

donn

ées

ai

d’un

cham

pd’

unty

peet

b jd’

unch

amp

d’un

autr

ety

pe.

On

trav

aille

raav

ecde

sdo

nnée

sdo

nton

are

tiré

unch

amp

deré

fére

nce

(ano

mal

ies)

.D

epl

usafi

nd’

obte

nir

des

mat

rices

dim

ensi

onel

lem

entc

ohér

ente

s,on

divi

sele

sdo

nnée

sa

i

par

une

vale

urty

pede

varia

tion

dea

(l’éc

artt

ype

des

donn

ées

par

exem

ple)

etde

mêm

epo

urb.

Les

varia

bles

non-

dim

ensi

onel

les

d’an

omal

ies

sero

ntal

ors

stoc

kées

dans

deux

tabl

eaux

aet

b.

Ces

tabl

eaux

n’on

tpas

néce

ssai

rem

entl

esm

êmes

taill

eset

neco

rres

pond

entp

asné

cess

aire

men

taux

mêm

espo

ints

del’e

spac

e.

d=

(

a b

)

(223)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

432

Page 109: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cov

aria

nces

L’an

alys

eob

ject

ive

rest

ed’

appl

icat

ion

sil’o

npe

utex

plic

iter

lam

atric

ede

cova

rianc

e D=

dd

T=

(

aa

Tab

T

ba

Tbb

T

)

(224

)

aa

Tet

bb

Tpe

uven

têtr

efo

rmul

ésco

mm

een

anal

yse

unva

riée

(cov

aria

nce

duch

amp

avec

lui-m

ême

enun

autr

een

droi

t)

aa

Tij

ta(x

a i)ϕ

ta(x

a j)+

σ2 aδ i

j=

ε2 ac a

(xa i,x

a j)+

σ2 aδ i

j(2

25)

bb

Tij

tb(x

b i)ϕ

tb(x

b j)+

σ2 bδ i

j=

ε2 bc b

(xb i,x

b j)+

σ2 bδ i

j(2

26)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

433

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cov

aria

nce

entr

edo

nnée

sde

type

diffé

rent

Sil

’on

supp

ose

l’err

eur

sur

les

deux

cham

psdé

core

llés

ab

Tij

ta(x

a i)ϕ

tb(x

b j)

=ε a

ε bc a

b(x

a i,x

b j)

(227)

Laco

varia

nce

entr

ele

sde

uxch

amps

doit

teni

rco

mpt

ede

ladi

stan

ceph

ysiq

ueet

dela

corr

elat

ion

des

cham

psen

unm

ême

poin

t.Ty

piqu

emen

ton

utili

sele

sm

êmes

fonc

tions

deco

rrél

atio

nssp

atia

les

mut

liplié

spa

rla

corr

elat

ion

que

l’on

peut

calc

uler

àpa

rtir

dedo

nnée

spr

ises

aum

ême

endr

oit.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

434

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Min

imis

atio

nde

l’err

eur

expe

cté

On

cher

che

les

fonc

tions

d’in

terp

olat

ion

ϕa(x

)=

rT aa

+rT abb

(228

)

ϕb(x

)=

rT baa

+rT bb

(229

)

L’in

terp

olat

ion

pour

unch

amp

tient

com

pte

des

donn

ées

sur

l’aut

re!

ϕ=

(

ϕa

ϕb

)

=

(

rT a

rT ab

rT ba

rT b

)(

a b

)

=Rd

(230

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

435

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Min

imis

atio

n

Min

imis

er‖ϕ

−ϕ

t‖2

revi

entà

min

imis

er

(ϕa−

ϕta)2

+(ϕ

b−

ϕtb)2

(231)

etil

faut

trou

ver

les

quat

reve

cteu

rsd’

inte

rpol

atio

nqu

iren

dent

l’exp

ress

ion

min

imal

e.

(ϕa−

ϕta)2

t2 a−

2(

rT aa

+rT abb)

ϕta

+(

rT aa

+rT abb)

(

aTr

a+

bTr

ab

)

(232)

(ϕb−

ϕtb)2

t2 b−

2(

rT bb

+rT baa)

ϕtb+

(

rT bb

+rT baa)

(

bTr

b+

aTr

ba

)

(233)

d dx(x

Ty)

=y,

d dy(x

Ty)

=x

etc

perm

ette

ntde

trou

ver

les

équa

tions

pour

les

r.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

436

Page 110: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Aut

reap

proc

he

Min

imis

er‖ϕ

−ϕ

t‖2

revi

entà

min

imis

erla

trac

ede

(ϕ−

ϕt)(

ϕT−

ϕtT)

(ϕ−

ϕt)(

ϕT−

ϕtT)

=(R

d−

ϕt)(

dTR

T−

ϕtT)

(234

)

(Rd−

ϕt)(

dTR

T−

ϕtT)

=R

DR

T−

ϕtd

TR

T−

Rdϕ

tT+

ϕtϕ

tT

(235

)

G=

tT

(236

)

RD

RT−

ϕtd

TR

T−

Rdϕ

tT

tT

=R

DR

T−

GTR

T−

RG

tT

=(R

−G

TD

−1)D

(R

−G

TD

−1)T−

GTD

−1G

tT

(237

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

437

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Min

imis

atio

nde

latr

ace

(ϕ−

ϕt)(

ϕT−

ϕtT)

=(R

−G

TD

−1)D

(R

−G

TD

−1)T−

GTD

−1G

tT

(238)

Latr

ace

estm

inim

ale

quan

d R=

GTD

−1

(239)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

438

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Fon

ctio

nsd’

inte

rpol

atio

n

R=

GTD

−1

(240

)

ϕ=

Rd

=G

TD

−1d

(241

)

Cov

aria

nce

des

cham

psau

poin

tàin

terp

oler

cons

idér

éav

ecle

spo

ints

dedo

nnée

s:

G=

tT

=

(

ta

tb

ta

tb

)

(242

)

ϕ=

(

ϕa(x

)

ϕb(x

))

=

(

aTϕ

ta(x

)b

ta(x

)

aTϕ

tb(x

)b

tb(x

))(

Di a

aD

i ab

Di b

aD

i bb

)(

a b

)

(243

)

D−

1d

créa

tion

de"p

seud

o-do

nnée

sfil

trée

s"pr

enan

ten

com

pte

des

corr

elat

ions

.G

Tin

terp

olat

ion

dece

sps

eudo

-don

nées

via

fonc

tion

deco

rrél

atio

nsJ.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.43

9

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Val

idat

ion

croi

sée

Pou

rtr

ouve

rde

spa

ram

ètre

sop

timau

x(lo

ngeu

rsde

corr

élat

ions

,ra

ppor

tssi

gnau

xbr

uits

)

•P

our

unno

mbr

est

atis

tique

men

tsig

nigi

catif

depo

ints

1.m

ettr

ede

coté

une

donn

ée2.

utili

ser

l’out

ilqu

el’o

nve

utop

timis

er3.

mes

urer

ladi

ffére

nce

entr

el’a

naly

sepa

rl’o

util

etla

donn

éeéc

arté

e

•ca

lcul

erun

erm

sde

ceté

cart

basé

sur

les

poin

tséc

arté

s

•ch

ange

rla

vale

urdu

para

mèt

reà

optim

iser

etpr

endr

eco

mm

eva

leur

celle

quim

inim

ise

lerm

sde

lava

lidat

ion

croi

sée

Des

varia

ntes

exis

tent

(éca

rter

plus

ieur

spo

ints

sim

ulta

ném

ent)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

440

Page 111: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Est

imat

eurs

The

cro

ss v

alid

atio

n es

timat

ors

(isob

aric

leve

ls)

0.0

1273 0

.212

73 0

.412

73 0

.612

73 0

.812

73 1

.012

73 1

.212

73 1

.412

73

Sig

nal t

o no

ise

ratio

406080100

120

140

160

180

200

1.7000

1.7000

1.7000

1.6550

1.6550

1.65501.

6500

1.650

0

1.6500

1.6500

1.65001.

6450

1.64

50

1.64

50

1.6450

1.6450

1.64

00

1.64

00

1.64

00

1.640

0

1.6400

1.63

80

1.63

80

1.63

80 1.63

40

1.6340

1.63

40

1.63

40

1.63

16

Est

imat

eur

del’e

rreu

rpa

rva

lidat

ion

croi

sée

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

441

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

MO

DB

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

442

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

blèm

esde

syno

ptic

ité

0.01

0.26

0.51

0.76

1.01

1.26

1.51

1.76

2.01

2.26

2.51

Long

itude

29.5

58

29.8

08

30.0

58

30.3

08

30.5

58

30.8

08

Latitude

15.

80 &

BE

LOW

15.

80 T

O

16.

00 1

6.00

TO

1

6.20

16.

20 T

O

16.

40 1

6.40

TO

1

6.60

16.

60 T

O

16.

80 1

6.80

TO

1

7.00

17.

00 T

O

17.

20 1

7.20

TO

1

7.40

17.

40 T

O

17.

60 1

7.60

TO

1

7.80

17.

80 T

O

18.

00 1

8.00

TO

1

8.20

18.

20 T

O

18.

40 A

BO

VE

18.

40

0.01

0.26

0.51

0.76

1.01

1.26

1.51

1.76

2.01

2.26

2.51

Long

itude

29.5

58

29.8

08

30.0

58

30.3

08

30.5

58

30.8

08

Latitude

15.

80 &

BE

LOW

15.

80 T

O

16.

00 1

6.00

TO

1

6.20

16.

20 T

O

16.

40 1

6.40

TO

1

6.60

16.

60 T

O

16.

80 1

6.80

TO

1

7.00

17.

00 T

O

17.

20 1

7.20

TO

1

7.40

17.

40 T

O

17.

60 1

7.60

TO

1

7.80

17.

80 T

O

18.

00 1

8.00

TO

1

8.20

18.

20 T

O

18.

40 A

BO

VE

18.

40

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

443

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ass

imila

tion

dedo

nnée

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

444

Page 112: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ass

imila

tion

dedo

nnée

s

Cor

rect

ion

des

erre

urs

•E

rreu

rsdu

mod

èle

•E

rreu

rssu

rde

sdo

nnée

s

•C

ombi

nais

onop

timal

ede

mod

èle

etdo

nnée

spo

urré

duire

l’err

eur

aum

axim

um

Exe

mpl

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

445

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Filt

rede

Kal

man

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

446

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

EO

F

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

447

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Déc

ompo

sitio

nS

VD

d’un

em

atric

e

form

ulat

ion

d’un

prob

lèm

eau

xva

leur

spr

opre

s.Le

prob

lèm

eA

x=

ρx

n’es

tbie

nen

tend

upa

sbi

enpo

sési

m6=

n.

Par

cont

rele

prob

lèm

eau

xva

leur

spr

opre

ssu

ivan

test

tout

àfa

itlic

ite:

Bx

=ρx

(244)

oùno

usav

ons

cons

trui

tla

mat

rice

carr

éeB

dedi

men

sion

m+

n:

B≡

(

0A

A?

0

)

(245)

On

cons

tate

que

lam

atric

eB

esth

erm

itien

neB

?=

B,d

eso

rte

que

les

n+

mva

leur

spr

opre

iso

ntto

utes

réel

les

etqu

ele

sve

cteu

rspr

opre

sso

ntor

thog

onau

x.E

tant

donn

éla

stru

ctur

epa

rtic

uliè

rede

B,n

ous

pouv

ons

expl

icite

rla

stru

ctur

ede

sva

leur

set

vect

eurs

prop

res.

En

effe

t,no

uspo

uvon

séc

rire

lepr

oblè

me

aux

vale

urs

prop

res

com

me

suit

:

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

448

Page 113: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

SV

D

(

0A

A?

0

)(

u v

)

(

u v

)

(246

)

deso

rte

nous

obte

nons

lesy

stèm

esu

ivan

t:

Av

=ρu

(247

)

A?u

=ρv

(248

)

lepr

emie

rsy

stèm

eét

antd

edi

men

sion

m(c

omm

eu)

etle

seco

ndde

dim

ensi

onn

(com

me

v).

Nou

spo

uvon

sen

tirer

faci

lem

ent

AA

?u

=ρ2u,

(249

)

A?A

v=

ρ2v.

(250

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

449

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

SV

D

Nou

spo

uvon

sdo

ncca

lcul

erun

esé

riede

vale

urs

prop

ros

ρi

que

nous

pouv

ons

choi

sir

com

me

les

raci

nes

non-

néga

tives

deρ2 i.

En

effe

t,le

choi

xdu

sign

eop

posé

,en

vue

des

rela

tions

(248)

et(2

47)

nefo

urni

rait

pas

deve

cteu

rspr

opre

sin

dépe

ndan

ts,m

ais

seul

emen

tch

angé

sde

sign

e.N

ous

pouv

ons

donc

choi

sir

les

ρi

non-

néga

tifs

etle

scl

asse

rda

nsl’o

rdre

décr

oiss

ant.

Ces

vale

urs

sont

alor

sap

pelé

esva

leur

sing

uliè

res

dela

mat

rice

A.

Or,

puis

que

les

deux

équa

tions

(250)

et(2

49)

sont

sim

ulta

ném

ent

satis

faite

spo

urun

eva

leur

prop

reρ

donn

ée,l

aso

lutio

nde

n’im

port

ele

quel

des

deux

sera

suffi

sant

e;si

nous

calc

ulon

sle

sm

vect

eurs

prop

res

etva

leur

spr

opre

su

etρ2

enré

solv

ant(

249),

onpo

urra

calc

uler

ven

utili

sant

(248).

Sia

uco

ntra

ire,o

nca

lcul

ele

sn

vect

eurs

prop

res

etva

leur

spr

opre

sv

etρ2

enré

solv

ant(

250)

,nou

spo

urro

nsdé

duire

ude

(247)

.C

epen

dant

,éta

ntdo

nné

ladi

men

sion

diffé

rent

ede

sde

uxpr

oblè

mes

(250)

et(2

49),

lase

ule

faço

nde

conc

ilier

cela

avec

lefa

itqu

ele

doiv

ents

atis

faire

les

deux

syst

èmes

estd

’avo

irρ

i=

0,i>

r=

min

(m,n

).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

450

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

SV

D

Ude

dim

ensi

onm

×m

estd

onné

parU

=(

u1

u2

u3

...

um

)

et

Vde

dim

ensi

onn×

npa

rV

=(

v1

v2

v3

...

vn

)

.D

em

ême,

nous

cons

trui

sons

une

mat

rice

rect

angu

laire

Dde

dim

ensi

onm

×n

deso

rte

que

(D) i

i=

ρi,

i=

1,...k

,les

autr

esél

émen

tsét

ants

nuls

.Il

s’ag

itd’

une

sim

ple

géné

ralis

atio

nde

mat

rices

diag

onal

es.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

451

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

SV

D

Dan

sce

cas,

iles

tais

éd’

écrir

ele

sre

latio

nsd’

orth

onor

mal

itéU

?U

=U

U?

=1l

met

V?V

=V

V?

=1l

nra

ppel

lant

que

les

inve

rse

dem

atric

esun

itaire

sso

ntle

urs

adjo

inte

s.M

ais

nous

avon

s(2

47),

(248

),(2

49),

(250)

quip

euve

ntse

réec

rire

en

A?U

=V

DT

(251)

AV

=U

D(2

52)

AA

?U

=U

DD

T(2

53)

A?A

V=

VD

TD

(254)

D’o

ùno

ustir

ons

ladi

agon

alis

atio

nsu

ivan

te

U?A

V=

D,

(255)

oula

déco

mpo

sitio

nen

vale

urs

sing

uliè

res

A=

UD

V?.

(256)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

452

Page 114: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

SV

Dré

sum

é

A=

UD

V?.

(257

)

Uco

mpo

séde

sve

cteu

rspr

opre

sno

rmés

deA

A?,V

com

posé

des

vect

eurs

prop

res

norm

ésde

A?A

etD

cont

enan

tles

vale

urs

sing

uliè

res

sur

ladi

agon

ale.

Not

ons

que

les

vale

urs

sing

uliè

res

sont

les

ρi

etdo

ncle

sra

cine

sca

rrée

sde

sva

leur

spr

opre

sde

sm

atric

esA

A?

etA

?A

par(2

49)

et(?

?).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

453

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

EO

F

Tout

mod

èle

nous

four

nitu

nesé

riede

nom

bres

(m)

àch

aque

inst

ant,

cette

série

deno

mbr

espo

uvan

têtr

ele

vect

eur

d’ét

atpr

opre

men

tdit

dusy

stèm

e,un

sous

-ens

embl

eou

une

gran

deur

utile

pour

les

diag

nost

ique

s:x(t

).D

epa

rsa

natu

redi

scrè

te,n

ous

auro

nspl

utôt

une

serie

deve

cteu

rsxi

àde

sm

omen

téqu

idis

tant

st i

=t 0

+i∆

T,∆

T−

1ét

antd

onc

lafr

éque

nce

d’éc

hant

illon

age

dum

odèl

e.O

nef

fect

uera

néc

hant

illon

nage

ssu

rla

duré

en∆

Tde

lasi

mul

atio

n.P

our

unm

odèl

e3D

deha

ute

réso

lutio

n,n

est

géné

rale

men

tbea

ucou

ppl

uspe

titqu

em

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

454

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

EO

F

déco

mpo

ser

lesi

gnal

dans

une

base

orth

onor

mée

ui

part

icul

ière

afin

dere

prés

ente

rla

varia

bilit

éde

faço

nef

ficac

e(e

nal

igna

ntle

sve

cteu

rsde

laba

seda

nsle

sdi

rect

ions

priv

ilégi

ésde

lava

riabi

lité)

:

x(t

)=

m∑ j=

1

γ(j

)(t

)uj

(258

)

soit

enva

riabl

esdi

scrè

tes

xi≡

x(t

i)=

m∑ j=

1

γ(j

)(t

i)u

j.

(259

)

Bie

nen

tend

u,si

l’on

conn

aitl

aba

seor

thor

norm

ée,l

eca

lcul

deγ

(j)(t

i)es

tim

méd

iatp

arle

sre

latio

nsd’

orth

onor

mal

ité:

γ(j

)(t

i)=

uj?xi.

(260

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

455

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cho

ixde

laba

se

Max

imis

ern

∑ i=1

‖u?xi‖2

(261)

sous

laco

ntra

inte

u?u

=1.

En

défin

issa

ntun

em

atric

eX∈

Cm n

:

X=

(

x1,x

2,.

..,x

n

)

,(2

62)

lare

cher

che

dece

max

imum

peut

sefa

ireso

usfo

rme

varia

tione

lleav

ecun

mul

tiplic

ateu

rde

Lagr

ange

λpo

urla

cont

rain

tede

norm

alis

atio

n:

δ u[‖u

?X‖2

−λ

(u?u−

1)]

=0.

(263)

On

défin

ital

ors

une

mat

rice

carr

éeC

herm

itien

nede

dim

ensi

onm

×m

:

C≡

XX

?=

n∑ i=

1

xix

i?,

(264)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

456

Page 115: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Equ

atio

nsd’

Eul

erLa

gran

ge

Dan

sce

cas

les

équa

tions

d’E

uler

Lagr

ange

dupr

inci

peva

riatio

nnel

sont

Cu

=λu,

(265

)

u?u

=1,

(266

)

Com

me

Ces

ther

miti

enne

les

vale

urs

prop

res

λso

ntpo

sitiv

eset

les

vect

eurs

prop

res

orth

ogon

aux

U=

(

u1,u

2,.

..,u

m

)

(267

)

dans

l’ord

rede

sva

leur

ssi

ngul

ière

sdé

croi

ssan

tes)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

457

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

ject

ion

Ens

uite

,nou

spo

uvon

spr

ojet

ter

l’évo

lutio

ndu

vect

eurx(t

)su

rch

acun

des

ces

axes

,pou

rét

udie

rco

mm

entl

em

ode

enqu

estio

név

olue

.C

ecip

euts

efa

irepa

rle

sou

tils

clas

siqu

esd’

anal

yse

defr

éque

nce

etc,

sil’o

nca

lcul

e γ(j

)(t

i)=

uj?xi

(268)

ouso

usfo

rme

mat

ricie

lleG

=U

?X

(269)

avec

ledé

velo

ppem

entd

edé

part

:

X=

UG

.(2

70)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

458

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mod

este

mpo

rels

L’on

iden

tifie

Gvi

ala

déco

mpo

sitio

nS

VD

G=

DV

?(2

71)

puis

que

X=

UD

V?.

(272

)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

459

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Tron

catu

re

Par

récu

rren

ce:

lem

ode

1es

tcel

uiqu

iapp

roch

ele

mie

uxX

enm

oyen

necà

dqu

eX−

ρ1u1v1?

estm

inim

al,a

utre

men

tdit

aucu

neau

tre

com

bina

ison

abc

rend

X−

abc?

plus

petit

.D

ela

,la

mat

rice

X−

ρ1u1v1?

estl

em

ieux

repr

ésen

tepa

ru2

etil

est

orth

ogon

alà

u1

etqu

ele

term

ere

tiré

est"

tran

spar

ent"

Aut

rem

entd

it,si

l’on

retie

ntle

sN

prem

iers

mod

es,l

are

cons

truc

tion

UN

DN

VN

?(2

73)

estl

apl

uspr

oche

deX

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

460

Page 116: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Var

ianc

eex

pliq

uée

X=

UD

V?

=

p∑ k=

1

ρku

kv

? k(2

74)

sino

usav

ons

pva

leur

ssi

ngul

ière

sno

n-nu

lles

(p≤

min

[m,n

])N

ous

pouv

ons

mes

urer

lava

rianc

eto

tale

dusi

gnal

para

trac

e(X

X?)

=tr

ace(X

?X

)=‖X

‖2 2=

p∑ k=

1

ρ2 k,

(275

)

Sin

ous

trav

aillo

nsav

ecun

esé

rietr

oncq

uée

deN

mod

esla

reco

nstr

uctio

nX

N=

UN

DN

VN

?(2

76)

reco

nstit

ueun

eva

rianc

ede

trac

e(

XN

X?N

)

=

N∑ k=

1

ρ2 k,

(277

)

aC

omm

eto

ujo

urs

nou

str

avai

llon

sav

ecdes

anom

alies

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

461

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Var

ianc

eex

pliq

uée

On

ditq

uele

sN

prem

iers

mod

esex

pliq

uent

100

∑N k=

1ρ2 k/

∑p k=

1ρ2 k

pour

cent

dela

varia

nce

tota

le.

Un

mod

ei

donn

é,qu

antà

luir

epré

sent

e100ρ2 i/

∑p k=

1ρ2 k

dela

varia

nce

dusi

gnal

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

462

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cas

cont

inu

L’an

alys

eE

OF

(em

piric

alor

thog

onal

func

tions

)es

taus

sico

nnue

sous

leno

mde

PC

A(p

rinci

palc

ompo

nent

san

alys

is)

Sil

esi

gnal

estu

nefo

nctio

nf

cont

inue

,on

peut

faire

lem

ême

rais

onne

men

tmai

sen

rem

plaç

antl

am

atric

ede

corr

elat

ion

par

une

fonc

tion

deco

rrél

atio

nin

tégr

ale

etle

sve

cteu

rspr

opre

su

etv

par

des

fonc

tions

prop

res.

Dan

sce

cas

onob

tient

ladé

com

posi

tion

deK

arhu

nen-

Loèv

e(u

tile

sil’o

nve

utgé

néra

liser

lam

étho

deau

cas

oule

sdo

nnée

sdi

scrè

tes

dela

mat

rice

Xco

rres

pond

entà

des

régi

ons

spat

iale

sde

taill

edi

ffére

nte,

auqu

elca

s,on

inte

rprè

tele

sve

cteu

rspr

opre

sco

mm

eun

eve

rsio

ndi

scrè

tede

sfo

nctio

nspr

opre

sdu

prob

lèm

eco

ntin

ue)

∫(

f(r

,t)f

(r′ ,

t)?dt)

u(r

′ )dr′

=λu(r

)(2

78)

l’ana

logu

eco

ntin

ude

(n

∑ i=1

xix

i?

)

u=

λu

(279

)J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.46

3

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

EO

F

•M

étho

delin

éaire

mai

ssi

gnau

xno

n-lin

éaire

s

•Tr

onca

ture

optim

ale

•V

ecte

urs

deba

seem

piriq

ues

(dat

aba

sed)

•C

ompr

essi

ond’

info

rmat

ion

"opt

imal

e"da

nsle

sens

prod

uit

fonc

tion

spat

iale

etfo

nctio

nte

mpo

relle

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

464

Page 117: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Exe

mpl

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

465

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ani

mat

ion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

466

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Div

ers

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

467

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Diff

éren

cefin

iecl

assi

que

h

ii+

1i-1x

xx

Dis

trib

utio

nno

dale

des

inco

nnue

s:ic

ihes

tl’e

spac

emen

tde

lagr

ille

eti

desi

gne

laco

ordo

nnée

disc

rète

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

468

Page 118: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Volu

me

fini

ii+

1i-1

App

roch

ede

volu

me

finie

n1D

et3D

.Sur

chaq

uevo

lum

ela

vale

urin

tégr

éede

l’inc

onnu

ees

tpré

dite

ente

nant

com

pte

des

flux

àtr

aver

sle

sin

terf

aces

etla

prod

uctio

nlo

cale

dans

les

volu

mes

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

469

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ele

men

tsfin

is

Au

lieu

d’un

edi

ffére

nce

finie

clas

siqu

epo

urtr

ouve

run

eap

prox

imat

ion

num

ériq

uede

l’opé

rate

ur:

Ess

ayer

detr

ouve

run

efo

nctio

nlo

cale

(sur

unél

émen

tfini

)pr

éscr

itea

prio

riau

mie

uau

xéq

uatio

ns.

Ens

uite

assu

rer

que

les

solu

tions

loca

les

seco

nnec

tent

corr

ecte

men

tent

reél

émen

ts.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

470

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Fin

iteE

lem

ent

q

App

roch

ed’

élém

ents

finis

,ave

cfo

nctio

nslo

cale

set

conn

ecte

urs.

En

1Dle

sco

nnec

teur

sin

diqu

éspe

rmet

tent

d’as

sure

rqu

ele

sva

leur

sde

l’inc

onnu

een

tre

deux

élém

ents

sont

défin

isde

faço

nun

ique

.E

n2D

,un

élém

entt

riang

ulai

rebi

linéa

irepo

ssèd

eég

alem

entd

esco

nnec

teur

sau

xco

ins,

quia

ssur

entl

aco

ntin

uité

dela

fonc

tion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

471

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Elé

mén

tsfin

isen

Méd

iterr

anée

Gril

led’

élém

ents

finis

enM

édite

rran

ée

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

472

Page 119: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Mét

hode

ssp

ectr

ales

On

déve

lopp

ela

solu

tion

ente

rmes

defo

nctio

nssp

écia

les

défin

issu

rto

utle

dom

aine

d’in

térê

t:

C(t

,x)

=∑

i

ai(

t)f i

(x)

Les

fonc

tions

spéc

iale

sf i

dépe

nden

tdu

prob

lèm

eet

doiv

ent

satis

faire

des

cond

ition

sau

xlim

ites.

Cet

teap

proc

hetr

ansf

orm

ele

prob

lèm

een

unpr

oblè

me

d’éq

uatio

nsdi

ffére

ntie

lles

ordi

naire

s.Le

conv

erge

nce

este

xtrê

mem

entr

apid

epo

urde

sso

lutio

nslis

ses.

Pro

blèm

es:

cond

ition

xau

xlim

ites,

non-

linéa

rités

etpr

ésen

cede

fron

ts(a

vec

phén

omèn

ede

Gib

bs)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

473

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Phé

nom

ène

deG

ibbs

-3

-2

-1

12

3

-1.5

-1

-0.5

0.51

1.5

Phé

nom

ène

deG

ibbs

pour

lefo

nctio

nπ/2si

gn(x

)av

ecun

disc

ontin

uité

enx

=0,±

π.

Lasé

riede

Fou

rier

tonq

uée

à10

et50

term

eses

tmon

trée

,ain

siqu

ela

fonc

tion

orig

inal

e.U

neau

gmen

tatio

ndu

nom

bre

dem

ode

rédu

itla

régi

onsu

rla

quel

le

l’ove

rsho

otin

ga

lieu

mai

spa

sso

nam

plitu

de.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

474

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Elé

men

tssp

ectr

aux

Gril

leél

émen

tssp

ectr

aux.

Sur

chaq

ueél

émen

tune

série

enfo

nctio

nssp

écia

les

este

ffect

uée.

Icil

’éch

elle

degr

isés

corr

espo

ndau

nom

bre

defo

nctio

nssp

écia

les

par

élém

ent.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

475

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trav

aux

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

476

Page 120: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trav

ailI

:Rem

acle

etM

erci

er

•D

iscr

etis

atio

nsh

allo

ww

ater

dans

cana

lave

cpe

nte

•C

ompa

rais

onav

ecso

lutio

nsan

alyt

ique

s

•R

emac

le:

Ana

lyse

EO

Fde

sré

sulta

ts,c

anal

ouve

rtet

cana

lfe

rmé

(ave

cco

nditi

onin

itial

ega

ussi

enne

)

•M

erci

er:

Trac

eur

dans

lech

amp

devi

tess

esav

ecsc

hém

aup

win

d?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

477

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trav

ailI

I:R

osso

mm

e

•O

ptim

iser

les

fonc

tions

deco

rrel

atio

nde

Lena

ertz

•O

ptim

iser

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

478

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trav

ailI

II:Le

naer

tz

•B

inni

ngde

donn

ées

ME

DA

Ren

fonc

tion

dele

urdi

stan

ce,

dess

inet

sugg

estio

nde

fonc

tion

deco

rrel

atio

ns...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

479

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Trav

ailI

V:M

egon

i

Mod

èle

d’év

olut

ion

deco

nten

ude

chal

eur

etde

sel

•In

tégr

atio

nsu

rle

volu

me

Méd

iterr

anée

nde

sco

nser

vatio

nsde

chal

eur

etse

l

•M

odél

isat

ion

del’é

chan

geà

Gib

ralta

r

•S

imul

atio

nde

l’évo

lutio

ndu

cont

enu

dech

aleu

rav

ecdi

ffére

nts

sets

deflu

xat

mos

pher

ique

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

480

Page 121: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Réf

éren

ces

WW

W

•ht

tp://

satft

p.so

est.h

awai

i.edu

/ocn

620/

corio

lis/

:A

nim

atio

nfo

rce

deC

orio

lis

http

://ga

ea.e

s.fli

nder

s.ed

u.au

/mat

tom

/Util

ities

/inde

x.ht

ml

:U

tilita

ires

océa

nogr

aphi

ques

•ht

tp://

ww

w.s

aa.n

oaa.

gov/

:Im

ages

sate

llita

ires

•ht

tp://

mod

b.oc

e.ul

g.ac

.be/

Med

net

:A

rchi

vage

dem

odèl

es

•ht

tp://

ww

w.g

otm

.net

:U

nm

odèl

e1D

très

com

plet

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

481

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Que

lque

sno

tatio

ns

•ino

mbr

eim

agin

aire

puri2

=−

1

•1l

mat

rice

iden

tité

(zér

ospa

rtou

t,un

itésu

rla

diag

onal

e)

•dia

g(d

i)m

atric

edi

agon

ale

dont

les

élém

ents

succ

esifs

sur

ladi

agon

ale

sont

les

di

•La

norm

e‖C

‖es

tsou

vent

une

norm

ein

tégr

éesu

rl’e

spac

epo

urun

cham

pC(

x,y

,z,t

).

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

482

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Réf

éren

ces

utile

s

•D

urra

nD

.(19

99),

Num

eric

alM

ethod

sfo

rW

ave

Equ

ations

in

Geo

phys

icalFlu

idD

ynam

ics,

Vol

ume

32of

Text

sin

App

lied

Mat

hem

atic

s,S

prin

ger

•H

aidv

ogel

,D.a

ndA

.Bec

kman

n(1

999)

,Num

eric

aloc

ean

circ

ula

tion

mod

elin

g,V

olum

e2

ofS

erie

sof

envi

ronm

enta

lsc

ienc

ean

dm

anag

emen

t,Im

peria

lCol

lege

Pre

ss.

•C

.Can

uto,

M.H

ussa

ini,

A.Q

uart

eron

i,an

dT.

Zan

g(1

988)

,S

pect

ralm

etho

dsin

fluid

dyna

mic

s,S

prin

ger

Ser

ies

inco

mpu

tatio

nalp

hysi

cs,S

prin

ger.

•J.

Fer

zige

ran

dM

.Per

ic(1

999)

,Com

puta

tiona

lmet

hods

for

fluid

dyna

mic

s,S

prin

ger.

•J.

M.B

ecke

rs(2

002)

,Mat

hem

atic

alan

dnu

mer

ical

geoh

yrod

ynam

icm

odel

s,E

OLS

ency

clop

edia

.

Cet

tepr

ésen

tatio

na

été

prod

uite

par

LA TEX

avec

prosper.cls

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

483

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Réf

éren

ces

WW

W

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

484

Page 122: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Pro

duct

ion

Doc

umen

tpré

paré

àl’a

ide

des

outil

ssu

ivan

ts:

•D

istr

ibut

ion

http

://w

ww

.dan

te.d

e:

LA TEX

com

plèt

ede

http

://w

ww

.mik

tex.

org/

:ht

tp://

ww

w.m

ikte

x.or

g/

•co

mpr

enan

tl’o

util

depr

ésen

tatio

nht

tp://

pros

per.s

ourc

efor

ge.n

et/

:

Pro

sper

•av

ecl’a

ide

d’un

édite

urgr

aphi

que

pour

LA TEX

http

://w

ww

.win

shel

l.de/

:ht

tp://

ww

w.w

insh

ell.d

e/

•C

ompi

late

urF

ortr

ang7

7fr

eew

are

http

://kk

oura

kis.

trip

od.c

om/g

77.h

tm:

http

://kk

oura

kis.

trip

od.c

om/g

77.h

tm

•A

crob

atR

eade

rht

tp://

ww

w.a

dobe

.com

/pro

duct

s/ac

roba

t/mai

n.ht

ml

:

http

://w

ww

.ado

be.c

om/p

rodu

cts/

acro

bat/m

ain.

htm

l

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

485

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cor

iolis

Un

obje

tva

tout

droi

t,sa

ufsi

onlu

iapp

lique

une

forc

e

Pen

dant

qu’u

nob

jeta

vanc

esu

rla

terr

e,ce

lle-c

itou

rne

etla

traj

ecto

irere

lativ

ese

mbl

edé

viée

Un

obse

rvat

eur

sur

late

rre

doit

intr

odui

reun

efo

rce

fictiv

e:la

forc

ede

Cor

iolis

.

Cet

tefo

rce

estp

erpe

ndic

ulai

reà

lavi

tess

edu

mou

vem

ent.

Ver

sla

droi

te(e

nal

lant

dans

lese

nsdu

cour

ant)

dans

l’hém

isph

ère

nord

.V

ers

laga

uche

dans

l’hém

isph

ère

sud.

Fc

=m

fu,f

=2Ω

sin

λ.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

486

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ani

mat

ions

San

sro

tatio

nS

urun

eta

ble

tour

nant

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

487

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ani

mat

ions

Sys

tèm

een

rota

tion

tabl

eto

urna

nte

(sen

sho

rlogi

que)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

488

Page 123: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

For

cede

Cor

iolis

L’ef

fetd

ero

tatio

nau

tour

del’a

xeve

rtic

allo

cale

stm

axim

alau

xpô

les

etnu

lsur

l’équ

ateu

r:

Ce

quii

mpo

rte

estl

avi

tess

ede

rota

tion

d’un

plan

tang

entd

el’e

ndro

itqu

’on

étud

ie.

Lafo

rce

deC

orio

lises

talo

rsF

c=

mfu

oùf

=2Ω

sin

λes

tla

fréq

uenc

ede

Cor

iolis

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

489

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

490

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Que

stio

nsd’

exam

en

1.M

odes

deF

ourr

ier

d’un

egr

ille,

alia

sing

deà

2.S

chém

aT

VD

(pas

gene

rall

imite

r)de

àav

ecse

ulem

entl

’esq

uiss

ed’

une

dém

onst

ratio

ndu

théo

rèm

ede

Har

ten

(que

l’on

peut

copi

er)

3.G

rille

sd’

Ara

kaw

ade

àav

ecdé

tail

des

moy

enne

set

csu

run

ede

squ

atre

grill

es(c

hois

ipar

l’exa

min

ateu

r)

4.M

ode-

split

ting

etpr

oblè

me

dela

surf

ace

libre

deà

5.U

tilis

atio

ndu

rigid

-lid

deà

6.R

ando

mw

alk

etm

étho

deLa

gran

gien

nepu

rede

à

7.A

naly

seob

ject

ive

deà

etno

tion

deva

lidat

ion

croi

sée

8.E

OF

deà

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

491

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Type

d’er

reur

set

leur

quan

tifica

tion

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

492

Page 124: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cla

ssifi

catio

nd’

erre

urs

•E

rreu

rde

mod

élis

atio

n:di

ffére

nce

entr

esy

stèm

eph

ysiq

ueet

solu

tion

exac

tede

notr

em

odèl

em

athé

mat

ique

•E

rreu

rde

disc

rétis

atio

n:di

ffére

nce

entr

ela

solu

tion

exac

tede

notr

em

odèl

em

athé

mat

ique

etla

solu

tion

num

ériq

ueex

acte

des

équa

tions

disc

rète

s

•E

rreu

rde

conv

erge

nce:

diffé

renc

een

tre

laso

lutio

nnu

mér

ique

exac

tede

séq

uatio

nsdi

scrè

tes

etla

solu

tion

obte

nue

par

mét

hode

itéra

tive

•E

rreu

rd’

arro

ndi:

erre

urdu

eau

xar

rond

isdu

calc

ulat

eur

éléc

tron

ique

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

493

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

dem

odél

isat

ion

•E

rreu

rde

mod

élis

atio

n:di

ffére

nce

entr

esy

stèm

eph

ysiq

ueet

solu

tion

exac

tede

notr

em

odèl

em

athé

mat

ique

?F

orm

ulat

ion

des

lois

régi

ssan

tle

syst

ème

(fer

met

ures

turb

ulen

tes

oupa

ram

étris

atio

nsd’

effe

tsno

nré

solu

s)?

Par

amèt

res

mal

conn

us(t

aux

degr

azin

g,vi

tess

ede

sédi

men

tatio

n)?

For

mul

atio

nde

slim

ites

dusy

stèm

e(m

erou

vert

e)?

Don

nées

initi

ales

etau

xfr

ontiè

res

?G

éom

étrie

sim

plifi

éedu

prob

lèm

e

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

494

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

dedi

scré

tisat

ion

•E

rreu

rde

disc

rétis

atio

n:di

ffére

nce

entr

ela

solu

tion

exac

tede

notr

em

odèl

em

athé

mat

ique

etla

solu

tion

num

ériq

ueex

acte

des

équa

tions

disc

rète

s?

Err

eur

detr

onca

ture

dusc

hém

anu

mér

ique

réso

lvan

tles

équa

tions

dum

odèl

em

athé

mat

ique

?E

rreu

rsde

cons

erva

tion

dem

asse

,con

cent

ratio

ns,

éner

gie

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

495

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

deco

nver

genc

e

•E

rreu

rde

conv

erge

nce:

diffé

renc

een

tre

laso

lutio

nnu

mér

ique

exac

tede

séq

uatio

nsdi

scrè

tes

etla

solu

tion

obte

nue

par

mét

hode

itéra

tive

?ar

rêtd

’itér

atio

nspo

urtr

ouve

rle

szé

ros

d’un

efo

nctio

nno

n-lin

éaire

?ar

rêtd

’itér

atio

nsde

Gau

ss-S

eide

l?

arrê

td’it

érat

ions

deré

solu

tion

d’éq

uatio

nsde

Poi

sson

disc

rets

?...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

496

Page 125: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Err

eur

d’ar

rond

i

•E

rreu

rd’

arro

ndi:

erre

urdu

eau

xar

rond

is?

repr

ésen

tatio

nde

sno

mbr

esré

els

etde

sop

érat

ions

arith

mét

ique

ssu

run

em

achi

ne/c

ompi

late

ur?

erre

urs

sur

lepr

odui

tsca

laire

delo

ngve

cteu

rs?

erre

urs

sur

laso

ustr

actio

nde

deux

nom

bres

proc

hes

?...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

497

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Lebo

nm

odèl

e

Err

eur

dem

odél

isat

ion

ÀE

rreu

rde

disc

rétis

atio

Err

eur

deco

nver

genc

Err

eur

d’ar

rond

i

À:

Ilfa

utqu

ech

aque

type

d’er

reur

soit

nette

men

tplu

spe

titqu

el’e

rreu

rsu

rla

solu

tion

espé

rée

sans

cette

erre

ur.

Ilne

faut

cepe

ndan

tpas

exag

érer

leÀ

:ne

pas

met

tre

enro

ute

une

mét

hode

très

préc

ise

sile

mod

èle

lui-m

ême

esti

mpr

écis

.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

498

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sou

rces

d’er

reur

sin

acce

ptab

les

•C

hoix

d’un

mod

èle

inad

apté

•E

rreu

rssu

rle

sdo

nnée

s

•D

iscr

étis

atio

ntr

opgr

ossi

ère

•E

rreu

rsde

prog

ram

mat

ion

•E

rreu

rssu

rle

sun

ités

En

géné

ral:

tout

cequ

idét

ruit

lach

aîne

d’un

bon

mod

èle

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

499

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Con

trôl

eou

estim

atio

nsde

ser

reur

s

De

faço

ngé

néra

le:

étud

esde

sens

itivi

•E

rreu

rd’

arro

ndi:

chan

ger

les

optio

nsdu

com

pila

teur

sur

lapr

écis

ion

requ

ise.

Sis

olut

ion

inse

nsib

le:

OK

•E

rreu

rde

conv

erge

nce:

anal

yse

des

cham

pslo

rsde

sité

ratio

nset

des

rési

dus

utili

sés

pour

les

critè

red’

arrê

t

•E

rreu

rde

disc

rétis

atio

n:ch

ange

men

tdes

grill

eset

des

pas

dete

mps

avec

une

estim

atio

nde

l’err

eur

detr

onca

ture

•E

rreu

rde

mod

élis

atio

n:C

ompa

rais

onré

sulta

tssi

mul

atio

nsav

ecdo

nnée

s(e

lles-

mêm

esin

com

plèt

eset

avec

erre

urs)

sito

usle

sau

tre

erre

urs

onté

tédé

mon

trés

suffi

sem

men

tpet

its

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

500

Page 126: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Vér

ifica

tion

deco

des,

rech

erch

ede

"bug

s"

•C

ompa

rais

onde

solu

tions

num

ériq

ues

avec

solu

tions

exac

tes

anal

ytiq

ues,

ceco

mpr

isvé

rifica

tions

des

erre

urs

detr

onca

ture

•U

tilis

atio

nd’

optio

nsdu

com

pila

teur

(vér

ifica

tion

debo

rnes

deta

blea

ux,a

ppel

sen

tre

sous

-rou

tines

pour

lepa

ssag

ede

para

mèt

res,

profi

ling,

flags

de"e

xcep

tions

",de

bugg

ing)

•V

érifi

catio

nde

sym

mét

ries

(x,−

x)

•V

érifi

catio

nde

linéa

rités

(C,2C)

•V

érifi

catio

nde

solu

tions

élém

enta

ires

(con

cent

ratio

nun

iform

eda

nsun

eéq

uatio

nd’

adve

ctio

ndi

ffusi

on)

•...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

501

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Crit

ères

d’ar

rêt

Soi

tune

mét

hode

itéra

tive

quid

oitr

ésou

dre

Ax

=b

etqu

el’o

nob

tient

aprè

sk

itera

tions

l’est

imat

ion

x(k

).

Com

men

tdét

erm

iner

quan

dar

réte

rle

sité

ratio

ns?

•no

mbr

esp

écifi

éd’

itéra

tions

:ris

que

d’en

faire

parf

ois

trop

etpa

rfoi

str

oppe

u

•cr

itère

d’ar

rêts

urun

rési

du:r(

k)=

Ax(k

)−

b.

Pou

run

eno

rme

der

suffi

sem

entp

etit

onar

rête

.M

ais

que

sign

ifie

petit

?C

ompa

rer

àqu

oi?

Aun

rési

dust

anda

rtqu

imes

ure

une

erre

ursu

rb

par

exem

ple.

‖r‖≤

ε‖b

‖.M

ais

rési

dufa

ible

nesi

gnifi

epa

sto

ujou

rser

reur

surx

faib

le.

•m

esur

ede

varia

tions

dex(k

)en

tre

les

itéra

tions

.S

ix(k

)ne

varie

plus

ones

père

avoi

rco

nver

gé.

Qu’

estu

nepe

tite

varia

tion

?C

ompa

rer

àx

mêm

e:‖x

(k)−

x(k

−1)‖≤

ε‖x

(k)‖.

Par

fois

conv

erge

nce

lent

eet

varia

tions

faib

les

loin

dela

solu

tion

En

prat

ique

souv

entc

ombi

nais

onde

str

ois.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

502

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Est

imat

ion

del’e

rreu

rde

tronc

atur

e

Sil

’on

veut

estim

erle

taux

deco

nver

genc

eou

vérifi

erl’e

stim

atio

nde

l’err

eur

detr

onca

ture

,ilf

audr

aitp

ouvo

irca

lcul

erla

solu

tion

exac

teC

pour

calc

uler

ladi

ffére

nce

avec

l’app

roxi

mat

ion

num

ériq

ueC.

C−

C=

ah

m+

O(h

m+

1)

•es

timer

Cav

ecun

hex

trêm

emen

tpet

it(h

/10

0)

sion

utili

seh

norm

alem

ente

tdes

sine

ren

suite

log|C

h−

C|e

nfo

nctio

nde

h.

Pas

touj

ours

poss

ible

(en

3D+

tem

ps10

8fo

ispl

usde

calc

uls)

•ré

duire

lepa

sde

faço

nsy

stém

atiq

ued’

unfa

cteu

r2:

C 4h

=C

+a4

mh

m(2

80)

C 2h

=C

+a2

mh

m(2

81)

C h=

C+

ah

m(2

82)

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

503

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Est

imat

ion

del’e

rreu

rde

tronc

atur

e

C−

C=

ah

m+

O(h

m+

1) C 4

h=

C+

a4

mh

m(2

83)

C 2h

=C

+a2

mh

m(2

84)

C h=

C+

ah

m(2

85)

Ens

uite

C 4h−

C 2h

=a(4

m−

2m

)hm

etC 2

h−

C h=

a(2

m−

1)h

mce

qui

four

nit

C 4h−

C 2h

C 2h−

C h=

4m−

2m

2m−

1=

2m(2

86)

soit

final

emen

t

m=

1

log

2lo

g

(C 4

h−

C 2h

C 2h−C h

)

(287)

que

l’on

peut

dess

iner

pour

plus

ieur

sva

leur

sde

h.

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

504

Page 127: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ext

rapo

latio

nde

Ric

hard

son

L’es

timat

ion

préc

éden

tedu

taux

deco

nver

genc

ene

perm

etpa

sse

ulem

entd

edé

term

iner

mm

ais

d’av

oir

une

mei

lleur

ees

timat

ion

dela

solu

tion

!E

nef

feto

npe

uttir

era

deC 2

h−

C h=

a(2

m−

1)h

mde

sort

equ

el’o

npe

utca

lcul

erl’e

stim

atio

n

C h=

C+

ah

m→

C=

C h−

ah

m=

C h−

C 2h−

C h2

m−

1(2

88)

Cec

iest

l’ext

rapo

latio

nde

Ric

hard

son.

Sim

estc

onnu

,deu

xca

lcul

s(h

et2h)

perm

ette

ntde

trou

ver

une

mei

lleur

ees

timat

ion

deC

.S

inon

untr

oisi

ème

(ave

c4h)

perm

etde

calc

uler

m.

Pas

évid

ente

n3D

surt

outs

ila

tron

catu

rees

tdiff

éren

tepo

urdi

ffére

ntes

équa

tions

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

505

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Etu

des

dese

nsiti

vité

Idée

géné

rale

:vé

rifier

siun

chan

gem

entm

ineu

r(o

uda

nsle

slim

ites

des

barr

esd’

erre

ur)

d’un

para

mèt

rene

mod

ifie

pas

defa

çon

trop

impo

rtan

tela

solu

tion.

Pro

blèm

e:"m

ineu

r"et

"tro

pim

port

ante

"?C

omm

ente

ffect

uer

defa

çon

syst

émat

ique

les

test

?

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

506

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Per

turb

atio

n"m

ineu

re"

ou"p

laus

ible

"

•Ty

piqu

emen

tdan

sle

sba

rres

d’er

reur

dupa

ram

ètre

enqu

estio

n:S

ile

taux

decr

oiss

ance

d’un

mod

èle

depo

pula

tion

estc

onnu

à10

%pr

ès,o

nef

fect

uera

des

sim

ulat

ions

enpe

rtur

bant

dece

s10

%.

•C

ondi

tions

initi

ales

3D:p

ertu

rber

les

cham

psen

gard

ant

cert

aine

sre

latio

nsd’

équi

libre

entr

ele

sch

amps

•C

ondi

tions

defo

rcag

eév

olut

ifs:

chan

ger

les

ampl

itude

set

les

phas

es

•...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

507

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Sen

sitiv

ité

•A

ppro

che

Mon

te-C

arlo

:

•M

odèl

esad

join

ts

•Fa

ctor

sepa

ratio

n

•C

alcu

lexp

licite

d’éq

uatio

nssu

pplé

men

taire

s...

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

508

Page 128: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Cal

ibra

tion-

Val

idat

ion

Cal

ibra

tion

Val

idat

ion

Dat

a1

Dat

a2

- -

???

Fig

ure

21

:Pro

cedu

recl

assi

que

deca

libr

atio

n-v

alid

atio

n.

Une

prem

iere

seri

ede

donnee

spe

rmet

d’aj

ust

er

les

para

etre

safi

nde

repr

esen

ter

aum

ieux

ces

donnee

s.Ensu

ite,

lem

odel

eob

tenu

est

utilise

dans

une

autre

configu

ration

avec

un

deuxi

eme

jeu

dedo

nnee

s.Sile

mod

ele

repr

oduit

auss

ibi

en

cette

autre

seri

ede

donnee

s,in

depd

enta

nte

dela

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

509

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Don

nées

indé

pend

ante

s?

Exe

mpl

eex

trèm

e:

0.5

11.5

22.5

3

-1

-0.5

0.5

Fig

ure

22

:Sep

arat

ion

dedo

nnee

sen

deux

sets

non

-

inde

penda

nts

.D

ans

ceca

sla

valida

tion

sem

ble

parf

aitm

’est

estune

calibr

atio

n

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

510

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Nom

bres

com

plex

es

-

6z

=x

+iy

θ

y

x

Fig

ure

23

:U

nnom

bre

com

plex

ez

=x

+iy

peut

etre

vuco

mm

ele

sco

ordo

nnee

sd’

un

poin

tda

ns

le

plan

(x,y

).Sa

nor

me|z|

=√

(x2

+y

2)

n’es

t

alor

sri

end’

autre

que

lalo

nge

ur

duve

cteu

r

relian

tl’or

igin

eau

poin

tco

nsi

dere

.O

npe

ut

egal

emen

tec

rire

z=

|z|ei

θou

θes

tap

pele

l’ar

gum

ent

dunom

bre

com

plex

e.C

omm

eei

θ=

cosθ

+isi

nou

sre

trou

vons

evid

emm

ent

que

x=

|z|c

osθ,

y=

|z|s

inθ

etta

n(θ

)=

y/x

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

511

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Opé

ratio

nssu

rde

sno

mbr

esco

mpl

exes

Siρ

etz

sont

deux

nom

bres

com

plex

es:

ρ=

|ρ|ei

θ,

z=

|z|ei

α(2

89)

lepr

odui

tvau

t

ρz

=|ρ||z

|ei(θ

+α)

(290)

C’e

stà

dire

que

lam

ultip

licat

ion

parρ

àau

gmen

téle

mod

ule

par

unfa

cteu

r|r

ho|

etqu

ele

nom

bre

com

plex

epr

odui

tàto

urné

deθ.

-

6z

=x

+iy

α

y

x

θ y

Fig

ure

24

:M

ultip

lica

tion

dez

par

lenom

bre

com

plex

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

512

Page 129: J.M. Beckers: Méthodes numériques – p. 4 Plan du …modb.oce.ulg.ac.be/cours/MECA055/meca0055-1p.pdf1963 Bryan: modèle barotrope • 1969 Bryan: modèle barocline incluant effets

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Ech

elle

s

1000

10

100

10

1 c

m

1 m

1 k

m

1000 k

m

10

8

10

6

10

4

10

2

10

0

10

-2

10

-210

010

210

410

610

810

10

mar

ées

onde

s

onde

s

onde

s

iner

tielle

s

inte

rnes

couc

he

de

mél

ange

acco

ustiq

ues

tem

psca

ract

éris

tique

(s)

longueur caractéristique (m)

mic

ro

turb

ulen

ce

1se

cond

e1

min

ute

1he

ure

1an

1jo

ur

tour

billo

nsgé

ostr

ophi

ques

fron

ts

circ

ulat

ion

circ

ulat

ion

ther

mo-

halin

e

houl

e

tem

pête

s

J.M

.Bec

kers

:M

étho

des

num

ériq

ues

–p.

513

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

∆ ∆∆

∆∆

Réf

éren

ces

http

-0.5

cm-1

cm

1:http://www.cfd-online.com/Resources/ J.

M.B

ecke

rs:

Mét

hode

snu

mér

ique

s–

p.51

4