Machbarkeitsstudie zur Bestimmung turbulenter Flüsse auf FS Polarstern im Rahmen von OCEANET

Diese Diplomarbeit behandelt die Möglichkeit und Machbarkeit der Messung von Parametern, die zur Herleitung turbulenter Flüsse dienen. Die Messungen wurden auf den beiden Polarsternexpeditionen ANT XXIV-4 im April/Mai 2008 und ANT XXV-5 im April/Mai 2009 durchgeführt. Die Berechnung der turbulenten Flüsse folgte aus gemessenen mittleren Größen mit Hilfe verschiedener Bulkparametrisierungen und aus Turbulenzmessungen mittels der Dissipationsmethode. Auf der Expedition ANT XXV-5 wurden zwei voneinander unabhängige Messsysteme, bestehend aus je einem Ultraschallanemometer und einem Hygrometer, an der Reling auf dem Peildeck und an der Reling auf dem Krähennest aufgebaut. Auf der ersten Fahrt wurde nur ein Ultraschallanemometer kombiniert mit zwei Hygrometern an der Reling auf dem Krähennest aufgebaut. Die Messungen auf dem Krähennest zeigten sehr gute Ergebnisse, gerade im Vergleich zwischen Parametrisierungen und Dissipationsmethode, obwohl die Höhe des Krähennestes mit knapp 30 Metern an der oberen Grenze der Prandtl-Schicht, in der die turbulenten Flüsse als höhenkonstant angenommen werden, liegt. Für den Fluss fühlbarer Wärme ist eine sehr gute Übereinstimmung mit der Parametrisierung von Smith (1980) bzw. Large und Pond (1982) zu erkennen. Beim Fluss latenter Wärme stimmen die Dissipationsergebnisse am besten mit der Parametrisierung von Smith (1988) überein. Dagegen ergaben sich aus den Messungen auf dem Peildeck, welches mit ca. 21 Metern Höhe deutlich niedriger liegt, Ergebnisse, welche verdeutlichen, dass diese Position für Turbulenzmessungen ungeeignet ist. Die Dissipationsergebnisse weichen fast durchgängig stark von den Bulkparametrisierungen und den Turbulenzmessungen auf dem Krähennest ab und es kommt zu Überschätzungen von über 50 W/m2 für den Fluss fühlbarer Wärme und von über 300 W/m2 für den Fluss latenter Wärme. Auch beim Impulsfluss, in dieser Arbeit durch den Dragkoeffizient gezeigt, wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. Bei den Messungen mit dem Sonic USA-1 auf dem Krähennest ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung mit der Parametrisierung von Large und Pond (1981). Die Messungen auf dem Peildeck dagegen zeigen eine große Streuung. Das ist bedeutend für den Einsatz eines Messcontainers auf dem Peildeck, welcher im Rahmen des OCEANET-Projektes entwickelt wird und auch mit einem Turbulenzmesssystem ausgestattet werden soll. Diese Position hat sich für Turbulenzmessungen als ungeeignet erwiesen. Die Messungen auf dem Container sind allerdings ca. 3 Meter höher als die Messungen auf dem Peildeck während der Fahrt ANT XXV-5, dies könnte eine weniger gestörte Anströmung begünstigen. Diese Messungen sollen auf der Polarsternfahrt ANT XXVI-1 durchgeführt werden, wobei auch dort wieder ein Vergleich mit dem alten Messsystem auf dem Krähennest durchgeführt werden soll. Auch bei den Messungen der CO2-Konzentration und der dadurch resultierenden Bestimmung des CO2-Flusses streuen die Ergebnisse der Fahrt ANT XXV-5 sehr stark. Es ist allerdings erwähnenswert, dass auch die alte Messposition des Licors, welches die CO2-Konzentration misst, auf dem Krähennest, keine, im Vergleich zum Peildeck, besseren Ergebnisse hervorgebracht hat

Regular triangulation and power diagrams for Maxwell's equations

We consider the solution of electromagnetic problems. A mainly orthogonal and locally barycentric dual mesh is used to discretize the Maxwell's equations using the Finite Integration Technique (FIT). The use of weighted duals allows greater flexibility in the location of dual vertices keeping the primal-dual orthogonality. The construction of the constitutive matrices is performed using either discrete Hodge stars or microcells. Hodge-optimized triangulations (HOT) can optimize the dual mesh alone to make it more self-centered while maintaining the primal-dual orthogonality, e.g., the weights are optimized in order to improve one or more of the discrete Hodge stars

Improved dual meshes using Hodge-optimized triangulations for electromagnetic problems

Hodge-optimized triangulations (HOT) can optimize the dual mesh alone or both the primal and dual meshes. They make them more self-centered while keeping the primal-dual orthogonality. The weights are optimized in order to improve one or more of the discrete Hodge stars. Using the example of Maxwell's equations we consider academic examples to demonstrate the generality of the approach

A multilevel Schur complement preconditioner with ILU factorization for complex symmetric matrices

This paper describes a multilevel preconditioning technique for solving complex symmetric sparse linear systems. The coefficient matrix is first decoupled by domain decomposition and then an approximate inverse of the original matrix is computed level by level. This approximate inverse is based on low rank approximations of the local Schur complements. For this, a symmetric singular value decomposition of a complex symmetric matix is used. The block-diagonal matrices are decomposed by an incomplete LDLT factorization with the Bunch-Kaufman pivoting method. Using the example of Maxwells equations the generality of the approach is demonstrated

A multilevel Schur complement preconditioner for complex symmetric matrices

This paper describes a multilevel preconditioning technique for solving complex symmetric sparse linear systems. The coefficient matrix is first decoupled by domain decomposition and then an approximate inverse of the original matrix is computed level by level. This approximate inverse is based on low rank approximations of the local Schur complements. For this, a symmetric singular value decomposition of a complex symmetric matix is used. Using the example of Maxwell's equations the generality of the approach is demonstrated

Regular triangulation and power diagrams for Maxwell's equations

We consider the solution of electromagnetic problems. A mainly orthogonal and locally barycentric dual mesh is used to discretize the Maxwell's equations using the Finite Integration Technique (FIT). The use of weighted duals allows greater flexibility in the location of dual vertices keeping the primal-dual orthogonality. The construction of the constitutive matrices is performed using either discrete Hodge stars or microcells. Hodge-optimized triangulations (HOT) can optimize the dual mesh alone to make it more self-centered while maintaining the primal-dual orthogonality, e.g., the weights are optimized in order to improve one or more of the discrete Hodge stars

A multilevel Schur complement preconditioner for complex symmetric matrices

This paper describes a multilevel preconditioning technique for solving complex symmetric sparse linear systems. The coefficient matrix is first decoupled by domain decomposition and then an approximate inverse of the original matrix is computed level by level. This approximate inverse is based on low rank approximations of the local Schur complements. For this, a symmetric singular value decomposition of a complex symmetric matix is used. Using the example of Maxwells equations the generality of the approach is demonstrated

A multilevel Schur complement preconditioner with ILU factorization for complex symmetric matrices

This paper describes a multilevel preconditioning technique for solving complex symmetric sparse linear systems. The coefficient matrix is first decoupled by domain decomposition and then an approximate inverse of the original matrix is computed level by level. This approximate inverse is based on low rank approximations of the local Schur complements. For this, a symmetric singular value decomposition of a complex symmetric matix is used. The block-diagonal matrices are decomposed by an incomplete LDLT factorization with the Bunch-Kaufman pivoting method. Using the example of Maxwell's equations the generality of the approach is demonstrated

Improved dual meshes using Hodge-optimized triangulations for electromagnetic problems

Hodge-optimized triangulations (HOT) can optimize the dual mesh alone or both the primal and dual meshes. They make them more self-centered while keeping the primal-dual orthogonality. The weights are optimized in order to improve one or more of the discrete Hodge stars. Using the example of Maxwells equations we consider academic examples to demonstrate the generality of the approach