[论文解读] Large-eddy simulations of geophysical turbulent flows with applications to planetary boundary layer research

Igor Esau|ArXiv.org|Jul 1, 2009

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 86被引用 6

一句话总结

本文综述了大涡模拟（LES）在地球流体湍流中的应用，强调其在推进行星边界层（PBL）研究中的关键作用。LES能够解析小尺度湍流，从而准确估算边界层关键参数（如夹卷率和对流与剪切型态下的垂直结构），进而改进气候与天气模型中的参数化方案。

ABSTRACT

The present study gives an overview and emphasizes principal moments of the applications of the turbulence-resolving modeling with large-eddy simulation (LES) numerical technique to planetary boundary layer (PBL) research and climate studies. LES proved to be very useful in understanding of the atmospheric and ocean turbulent exchange and ultimately in parameterization improvement in traditional meteorological models. LES have played a key role in recognizing the importance of previously ignored self-organized structures in the geophysical turbulence. LES assisted theoreticians and weather/climate modelers with reliable information about the averaged vertical structure of the PBL in convection and shear regimes as well as with better estimations of key PBL parameters, e.g. an entrainment rate, for model calibrations. At present, LES are an essential, indispensible part of geosciences, while the mainstream of the LES research still deals with idealized case studies with rather simple micro-physics.

研究动机与目标

• 评估大涡模拟（LES）在推进对行星边界层（PBL）中地球流体湍流理解方面的作用。
• 突出LES在识别以往建模中被忽视的自组织湍流结构方面的贡献。
• 提供在对流与剪切条件下行星边界层平均垂直结构的可靠数据。
• 通过改进夹卷率等关键PBL参数的估算，支持模型校准。
• 确立LES在地球科学中作为理想化与实际情境下湍流解析研究的必备工具的地位。

提出的方法

• 应用大涡模拟（LES）技术，以解析大气与海洋流中的亚网格尺度湍流运动。
• 利用LES模拟简化微物理过程的理想化案例，以隔离基本湍流动力学。
• 对行星边界层在对流主导与剪切主导两种状态下的数值建模。
• 分析解析出的湍流结构，提取流场变量的统计与平均垂直分布。
• 将LES结果与理论预期及传统模型参数化方案进行对比。
• 将LES输出整合至气候与天气模型的开发中，以改进物理参数化方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 大涡模拟在多大程度上改善了行星边界层中湍流交换过程的表征？
• RQ2 自组织湍流结构在地球流体中扮演何种角色，LES如何捕捉这些结构？
• RQ3 LES在多大程度上能提供对夹卷率等关键PBL参数的可靠估算？
• RQ4 LES结果如何为改进传统气象与气候模型中的参数化方案提供依据？
• RQ5 当前LES方法在理想化条件下模拟PBL动力学时，其优势与局限性是什么？

主要发现

• LES在识别与量化以往被忽视的地球流体中自组织湍流结构方面发挥了关键作用。
• LES在对流与剪切两种状态下，均提供了行星边界层垂直结构的精确估算。
• 夹卷率——一个关键的PBL参数——通过LES模拟得到了更精确的约束，从而支持了模型的校准。
• LES输出已成为验证与优化大尺度气象与气候模型中湍流参数化方案的必要依据。
• 尽管已取得进展，主流LES研究仍集中于简化微物理过程的理想化案例。
• LES已成为地球科学中湍流解析研究的不可或缺工具，尤其在PBL与气候研究领域。