[논문 리뷰] 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)|2018. 07. 09.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 33인용 수 11

한 줄 요약

대규모eddies 시뮬레이션을 통해 이 연구는 대기경계층(ABL) 난류 구조에서 −z_i/L ≈ 0.40에서 놀라운 급격한 전이를 규명한다. 이 전이는 난류가 비안정 상태에서 강하에 의해 주도되는 중간 정도의 대류 상태로 변화하는 것을 의미한다. 이 전이로 인해 유속 변동의 종방향 일관성이 급격히 향상되고, z_i/L ∼ 1.0–1.5에서 최대 일관성 상태가 형성되며, 이는 저속 스트리프와 나선형 열상승기의 동기화에 의해 유도된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중성 상태에서 중간 정도의 대류 안정 상태로의 ABL 난류 구조 전이를 조사하기 위해.
• 다양한 지표면 열유량 조건에서 ABL 내 대규모 롤의 형성에 기여하는 역학적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 안정도 파라미터 −z_i/L 의 함수로 난류 일관성과 상관 구조의 변화를 정량화하기 위해.
• 전이 기간 동안 유기화된 체계를 조직화하는 데 기여하는 강하에 의해 유도되는 저속 스트리프와 대류에 의해 유도되는 열상승기의 역할을 규명하기 위해.
• 최대 일관성 상태로의 전이 기간 동안 지표면층 스트리프와 혼합층 상승기 사이의 공간 상관관계를 분석하기 위해.

제안 방법

• 고정된 지오스트로픽 바람과 체계적인 지표면 열유량 증가를 통해 안정도 파라미터 −z_i/L 를 변화시킨 대규모eddies 시뮬레이션(LES)을 수행하였다.
• 혼합층 두께와 오부호프 길이의 비율(z_i/L)을 통해 안정도 상태를 기술하기 위해 몰린-오브호프 유사성 이론 프레임워크를 사용하였다.
• 경계층 전반에서 종방향 속도 변동과 수직 속도 변동 간의 상관관계를 통해 난류 구조를 정량화하였다.
• 유동 방향의 체계적 구조 일관성을 평가하기 위해 통합 척도를 계산하였다.
• 지표면층의 저속 스트리프와 혼합층의 열상승기 사이의 공간적 및 시간적 상관관계를 분석하였다.
• 속도 및 온도 변동의 시각화와 일관성 분석을 통해 나선형 대규모 롤 구조의 출현을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 −z_i/L 가 증가함에 따라 ABL 난류 구조가 중성 상태에서 중간 정도의 대류 상태로 어떻게 변화하는가?
• RQ2 유속 변동의 종방향 일관성에서 급격한 전이가 발생하는 −z_i/L 의 임계 값은 얼마인가?
• RQ3 전이 기간 동안 혼합층 내 대규모 롤의 형성과 일관성 향상에 기여하는 역학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 전이 기간 동안 지표면층의 저속 스트리프와 혼합층의 열상승기 사이의 공간 상관관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 강하에 의해 유도되는 스트리프의 지속적인 종방향 일관성 증가는 유기화된 열상승기의 출현에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• −z_i/L ≈ 0.40에서 ABL 난류 구조에 급격한 전이가 발생하며, 특히 혼합층에서 종방향 일관성이 급격히 향상된다.
• 전이 이후 z_i/L ∼ 1.0–1.5에서 최대 일관성 상태가 형성되며, 이는 나선형 대규모 롤 구조의 형성과 관련이 있다.
• 전이 지점 이후로 종방향 속도 변동의 일관성과 강하에 의해 유도되는 저속 스트리프의 일관성이 지속적으로 증가한다.
• 전이 기간 동안 지표면층의 유기화된 저속 스트리프와 혼합층의 열상승기 사이의 공간 상관관계가 크게 증가한다.
• 전이 이후 지표면 가열 증가에 대한 ABL의 동적 반응이 급격히 변화하며, 이는 주요 난류 메커니즘이 변화했음을 시사한다.
• 유기화된 열상승기의 출현은 지표면층 스트리프와 혼합층 상승기 간의 동기화된 상호작용에 의해 촉진되며, 이는 일관성 향상에 기여한다.