[论文解读] 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 11

一句话总结

通过大涡模拟，本研究揭示了在 −z_i/L ≈ 0.40 处，大气边界层（ABL）湍流结构出现令人意外的突变转变，从以剪切为主导的中性条件转变为由浮力驱动的中等对流状态。该转变触发了速度脉动在顺风方向相干性的显著增强，并在 z_i/L ∼ 1.0–1.5 处形成最大相干性状态，其机制为低速条带与螺旋形热力上升气流卷的同步作用。

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.

研究动机与目标

• 研究大气边界层（ABL）湍流结构从中性到中等对流稳定度状态的转变过程。
• 识别在不同地表感热通量条件下 ABL 中大尺度卷状结构出现的动力机制。
• 量化作为稳定度参数 −z_i/L 函数的湍流相干性与关联结构的变化。
• 确定剪切驱动的低速条带与浮力驱动的热力上升气流在转变过程中组织化相干结构的作用。
• 分析转变过程中近地面层条带与混合层上升气流之间的空间相关性。

提出的方法

• 采用固定地转风的大涡模拟（LES），通过系统性增加地表感热通量来调节稳定度参数 −z_i/L。
• 利用 Monin-Obukhov 相似性理论框架，通过混合层深度与 Obukhov 长度之比（z_i/L）表征稳定度状态。
• 通过边界层内顺风方向速度脉动与垂直速度脉动的相关性量化湍流结构。
• 计算积分尺度以评估顺风方向相干结构的空间相干性。
• 分析近地面层低速条带与混合层热力上升气流之间的空间与时间相关性。
• 通过速度与温度脉动的可视化及相干性分析，识别螺旋形大尺度卷状结构的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着 −z_i/L 增大，大气边界层湍流结构如何从中性状态演变为中等对流状态？
• RQ2 在顺风方向速度脉动相干性发生突然转变的临界点，−z_i/L 的值是多少？
• RQ3 在转变过程中，驱动混合层内大尺度卷状结构形成与相干性增强的动力机制是什么？
• RQ4 在转变过程中，近地面层低速条带与混合层热力上升气流之间的空间相关性如何变化？
• RQ5 剪切驱动条带顺风方向相干性持续增强，在相干热力上升气流形成过程中起到何种作用？

主要发现

• 在 −z_i/L ≈ 0.40 处，ABL 湍流结构发生突然转变，表现为顺风方向相干性显著增强，尤其在混合层中表现明显。
• 该转变导致在 z_i/L ∼ 1.0–1.5 处形成最大相干性状态，与螺旋形大尺度卷状结构的形成密切相关。
• 在转变点之后，顺风方向速度脉动的相干性以及剪切驱动的低速条带相干性持续增强。
• 在转变过程中，近地面层相干低速条带与混合层热力上升气流之间的空间相关性显著提高。
• 在转变后，ABL 对地表加热进一步增强的动态响应发生突变，表明主导湍流机制发生转变。
• 相干热力上升气流的出现由近地面层条带与混合层上升气流之间的同步相互作用驱动，该过程得益于相干性的增强。