[論文レビュー] The Surprising Transition in Atmospheric Boundary Layer Turbulence Structure from Neutral to Moderately Convective Stability States and Mechanisms Underlying Large-scale Rolls

Balaji Jayaraman, James G. Brasseur|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 33被引用数 11

ひとこと要約

大規模渇乱シミュレーションを用いて、本研究では大気境界層（ABL）乱流構造に驚くべき急激な遷移が−z_i/L ≈ 0.40で発生することを明らかにした。これは、力学的剪切支配のニュートラル状態から浮力駆動のやや対流的な状態への移行を示している。この遷移は、流れ方向の速度フラクチュエーションの整合性が著しく向上し、z_i/L ∼ 1.0–1.5で最大整合性状態を形成する。この状態は、同期した低速ストリークとヘリカルな熱上昇気流ロールに起因している。

ABSTRACT

The vectoral wind structure of daytime atmospheric boundary layer (ABL) turbulence is strongly dependent on the balance between shear-driven turbulence production of horizontal fluctuations (driven by winds at the mesoscale), and buoyancy-driven turbulence production of vertical velocity fluctuations (driven by solar heating), characterized by the global instability state parameter $-z_i/L > 0$. In the fully shear-driven neutral limit $-z_i/L ightarrow 0$, the surface layer is dominated by coherent streamwise-elongated concentrations of negative streamwise fluctuating velocity (low-speed streaks), while in the moderately convective state ($z_i/L \sim 10$ ) buoyancy generates streamwise-elongated thermal updraft sheets of concentrated vertical velocity fluctuations. Using large-eddy simulation (LES), we study the transition between the neutral and moderately convective states by quantifying correlations and integral scales as a function of $-z_i/L$ created by systematically increasing surface heat flux with fixed geostrophic wind. We discover a surprising sudden transition in ABL turbulence structure at $-z_i/L \approx 0.40$ with dramatic enhancement of streamwise coherence, particularly in the mixed layer, and a sudden change in ABL dynamic response to further increase in surface heating. In the supercritical ABL, continued increase in surface heat flux leads to a maximal coherence state at ($z_i/L \sim 1.0-1.5$) associated with helical large-scale roll structure and exceptionally coherent thermal updrafts, a process driven by two key dynamical effects: (a) a surprising continual increase in streamwise coherence of streamwise velocity fluctuations and shear-driven low-speed streaks and (b) increasing spatial correlation between the coherent low-speed streaks in the surface layer below and in the coherent thermal updrafts with in the mixed layer above.

研究の動機と目的

• 中性状態からやや対流的安定状態に移行する大気境界層（ABL）乱流の構造的遷移を調査すること。
• 表面熱フラックスの変化に伴うABL内に現れる大規模ロールの背後にある力学的メカニズムを特定すること。
• 安定パラメータ−z_i/Lの関数として、乱流の整合性および相関構造の変化を定量化すること。
• 遷移期における剪切駆動の低速ストリークと浮力駆動の熱上昇気流が、一貫した構造をどのように組織化するかを特定すること。
• 最大整合性状態への遷移期における、表面層ストリークと混合層上昇気流との空間的相関を分析すること。

提案手法

• 地衡風を固定し、表面熱フラックスを系統的に増加させることで安定パラメータ−z_i/Lを変化させた大規模渇乱シミュレーション（LES）を実施した。
• 混合層厚さとオブフホフ長さの比（z_i/L）を用いて、安定状態をモノイン＝オブフホフ相似理論フレームワークで特徴づけた。
• 境界層全域にわたり、流れ方向速度フラクチュエーションと垂直速度フラクチュエーションの相関を用いて乱流構造を定量化した。
• 流れ方向における一貫した構造の空間的整合性を評価するために、積分尺度を計算した。
• 表面層の低速ストリークと混合層の熱上昇気流との間の空間的・時間的相関を分析した。
• 速度フラクチュエーションおよび温度フラクチュエーションの可視化と整合性解析を通じて、ヘリカルな大規模ロール構造の出現を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 −z_i/Lが増加するに従い、大気境界層（ABL）乱流構造が中性状態からやや対流的状態にどのように変化するか。
• RQ2 流れ方向の速度フラクチュエーションの整合性に急激な遷移が発生する−z_i/Lの臨界値は何か。
• RQ3 遷移期に混合層内で大規模ロールが形成され、整合性が強化される背後にある力学的メカニズムは何か。
• RQ4 遷移に伴い、表面層の低速ストリークと混合層の熱上昇気流との空間的相関はどのように変化するか。
• RQ5 剪切駆動ストリークの流れ方向整合性が持続的に向上することで、一貫した熱上昇気流がどのように出現するか。

主な発見

• −z_i/L ≈ 0.40でABL乱流構造に急激な遷移が発生し、特に混合層において流れ方向の整合性が著しく向上した。
• この遷移により、z_i/L ∼ 1.0–1.5で最大整合性状態が形成され、ヘリカルな大規模ロール構造の形成と関連していた。
• 遷移点以降、流れ方向速度フラクチュエーションの整合性および剪切駆動の低速ストリークの整合性が継続的に増加した。
• 一貫した表面層の低速ストリークと混合層の熱上昇気流との間の空間的相関が、遷移期に顕著に向上した。
• 表面加熱のさらなる増加に対するABLの動的応答が、遷移後に急激に変化し、乱流支配メカニズムの転換を示した。
• 一貫した熱上昇気流の出現は、表面層ストリークと混合層上昇気流の同期的相互作用に起因し、整合性の向上がそれを促進していた。