1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 58, № 3, 2022

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 3, стр. 263-281

Вихреразрешающее моделирование и исследование параметризаций затухающей турбулентности в вечернем переходе атмосферного пограничного слоя

Е. В. Ткаченко a, *, А. В. Дебольский a, b, Е. В. Мортиков a, c, А. В. Глазунов a, c

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр
119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 4, Россия

b Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., 3, Россия

c Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН
119333 Москва, ул. Губкина, 8, Россия

* E-mail: evtkachenko@hotmail.com

Поступила в редакцию 08.10.2021
После доработки 23.01.2022
Принята к публикации 09.02.2022

Аннотация

В работе представлены результаты вихреразрешающего моделирования вечернего перехода в атмосферном пограничном слое в случае свободной конвекции и при наличии геострофического ветра. Проведен анализ баланса кинетической энергии турбулентности (КЭТ) и динамики дисперсий компонент скорости, из которого следует существование интервалов быстрого и медленного затухания КЭТ. Показаны различия в характере анизотропии энергии в этих двух режимах. Так, в интервале быстрого затухания значительная часть энергии, находящаяся в вертикальной компоненте на крупных масштабах, разрушается за счет инерционного всплытия термиков после прекращения конвекции. В дальнейшем КЭТ перераспределяется в крупные масштабы горизонтальных компонент, что приводит к квазидвумерному режиму турбулентности, в котором диссипация энергии происходит значительно медленнее, чем в случае изотропной однородной турбулентности. Показано, что одномерная (по вертикали) модель пограничного слоя, в которой турбулентные потоки параметризуются с помощью двухпараметрического замыкания на основе уравнений для КЭТ и скорости ее диссипации, не воспроизводит подобную динамику вечернего перехода. В частности, использование градиентного приближения в одномерной модели приводит к сохранению конвективного распределения потока тепла по вертикали во время переходного периода и дополнительной генерации КЭТ в пограничном слое за счет действия сил плавучести. Привлечение феноменологического уравнения для скорости диссипации может приводить к занижению скорости затухания КЭТ в интервале быстрого затухания и, напротив, к ее завышению в интервале медленного затухания. В работе обсуждаются возможные подходы к модификации RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) замыканий для воспроизведения переходных периодов в атмосферном пограничном слое.

Ключевые слова: вихреразрешающее моделирование, вечерний переход, турбулентность, атмосферный пограничный слой

Список литературы

  1. Stull R.B., Driedonks A.G.M. Applications of the transilient turbulence parameterization to atmospheric boundary-layer simulations // Bound.-Layer Meteorol. 1987. V. 40. № 3. P. 209–239.

  2. Debolskiy A., Mortikov E., Glazunov A., Lüpkes C. Evaluation of surface layer stability functions and their extension to first order turbulent closures for weakly and strongly stratified stable boundary layer // Bound.-Layer Meteorol. 2021. Under review.

  3. Мортиков Е.В., Глазунов А.В., Дебольский А.В., Лыкосов В.Н., Зилитинкевич С.С. О моделировании скорости диссипации кинетической энергии турбулентности // Доклады Академии Наук. 2019. Т. 489. № 4. С. 414–418.

  4. Svensson G., Holtslag A.A.M., Kumar, V., Mauritsen, T., Steeneveld G.J., Angevine W.M., Bazile E., Beljaars A., de Bruijn E.I.F., Cheng A., Conangla L., Cuxart J., Ek M., Falk M.J., Freedman F., Kitagawa H., Larson V.E., Lock A., Mailhot J., Masson V., Park S., Pleim J., Soderberg S., Weng W., Zampieri M. Evaluation of the diurnal cycle in the atmospheric boundary layer over land as represented by a variety of single-column models: The second GABLS experiment // Bound.-Layer Meteorol. 2011. V. 140. P. 177–206.

  5. Holtslag A.A.M., Svensson G., Baas P., Basu S., Beare B., Beljaars A.C.M., Bosveld F.C., Cuxart J., Lindvall J., Steeneveld G.J., Tjernstrom M., Van De Wiel B.J.H. Stable atmospheric boundary layers and diurnal cycles: Challenges for weather and climate models // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2013. V. 94. № 11. P. 1691–1706.

  6. Angevine W.M., Edwards J.M., Lothon M., LeMone M.A., Osborne, S.R. Transition periods in the diurnally-varying atmospheric boundary layer over land // Bound.-Layer Meteorol. 2020. V. 177. P. 205–223.

  7. Taylor A.C., Beare R.J., Thomson D.J. Simulating dispersion in the evening-transition boundary layer // Bound.-Layer Meteorol. 2014. V. 153. P. 389–407.

  8. Copstein C.G. Simulating the Evening Transition in the PBL and Evaluating Its Contribution to the Next Day Prediction Ozone Peak Concentration // Doctoral dissertation. University of Houston. 2015. 125 p.

  9. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. 1982. V. 20. № 4. P. 851–875.

  10. Zilitinkevich S.S., Elperin T., Kleeorin N., Rogachevskii I., Esau I. A hierarchy of energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure models for stably-stratified geophysical flows // Bound.-Layer Meteorol. 2013. V. 146. P. 341–373.

  11. Burchard H. Applied turbulence modelling in marine waters // Berlin, Germany: Springer. 2002. 218 p.

  12. Detering H.W., Etling D. Application of the $E~ - ~\varepsilon $ turbulence model to the atmospheric boundary-layer // Bound.-Layer Meteorol. 1985. V. 33. P. 113–133.

  13. Sogachev A., Kelly M., Leclerc M.Y. Consistent two-equation closure modelling for atmospheric research: buoyancy and vegetation implementations // Bound.-Layer Meteorol. 2012. V. 145. P. 307–327.

  14. Zhang C., Wang Y., Xue M. Evaluation of an $E~ - ~\varepsilon $ and three other boundary layer parameterization schemes in the WRF model over the Southeast Pacific and the Southern Great Plains // Mon. Weather Rev. 2020. V. 148. № 3. P. 1121–1145.

  15. Langland E.H., Liou C.-S. Implementation of an $E~ - ~\varepsilon $ parameterization of vertical subgrid-scale mixing in a regional model // Mon. Weather Rev. May 1996. P. 905–918.

  16. Nuterman R., Mahura A., Baklanov A., Amstrup B., Zakey A. Downscaling system for modelling of atmospheric composition on regional, urban and street scales // Atmos. Chem. Phys. 2021. P. 1–16.

  17. Vu T.C., Asaeda T., Ashie Y. Development of a numerical model for the evaluation of the urban thermal environment // J. Wind Eng. Indust. Aero. 1999. V. 81. P. 181–196.

  18. Nakanishi M., Niino H. An improved Mellor-Yamada level-3 model with condensation physics: its design and verification // Bound.-Layer Meteorol. 2004. V. 112. P. 1–31.

  19. El Guernaoui O., Reuder J., Esau I., Wolf T., Maronga B. Scaling the decay of turbulence kinetic energy in the free-convective boundary layer // Bound.-Layer Meteorol. 2019. V. 173. № 1. P. 79–97.

  20. Nieuwstadt F.T.M., Brost R.A. The decay of convective turbulence // J. Atmos. Sci. 1986. V. 43. № 6. P. 532–546.

  21. Park S.-B., Baik J.-J., Han B.-S. Role of wind shear in the decay of convective boundary layers // Atmosphere. 2020. V. 11. № 6. P. 622.

  22. Pino D., Jonker H.J.J., de Arellano J.V.-G., Dosio A. Role of shear and the inversion strength during sunset turbulence over land: Characteristic length scales // Bound.-Layer Meteorol. 2006. V. 121. № 3. P. 537–556.

  23. Sorbjan Z. Decay of convective turbulence revisited // Bound.-Layer Meteorol. 1997. V. 82. № 3. P. 503–517.

  24. Deardorff J.W. Convective velocity and temperature scales for the unstable planetary boundary layer and for Rayleigh convection // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27. № 8. P. 1211–1213.

  25. Колмогоров А.Н. К вырождению изотропной турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости // Докл. Акад. Наук СССР. 1941. Т. 31. С. 538–540.

  26. Saffman P.G. The large-scale structure of homogeneous turbulence // J. Fluid Mech. 1967. V. 27. № 3. P. 581–593.

  27. Birkoff G. Fourier synthesis of homogeneous turbulence // Comm. Pure Appl. Math. 1954. V. 7. P. 19–44.

  28. Лыкосов В.Н. О проблеме замыкания моделей турбулентного пограничного слоя с помощью уравнений для кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28. № 7. С. 696–704.

  29. Tkachenko E., Debolskiy A., Mortikov E. Intercomparison of subgrid scale models in large-eddy simulation of sunset atmospheric boundary layer turbulence: computational aspects // Lobachevskii Journal of Mathematics. 2021. V. 42. № 7. P. 1580–1595.

  30. Rizza U., Miglietta M.M., Degrazia G.A., Acevedo O.C., Marques Filho E.P. Sunset decay of the convective turbulence with large-eddy simulation under realistic conditions // Physica A. 2013. V. 392. P. 4481–4490.

  31. Nadeau D.F., Pardyjak E.R., Higgins C.W., Fernando H.J.S., Parlange M.B. A simple model for the afternoon and early evening decay of convective turbulence over different land surfaces // Bound.-Layer Meteorol. 2011. V. 141. № 2. P. 301–324.

  32. Glazunov A., Rannik U., Stepanenko V., Lykosov V., A-uvinen M., Vesala T., Mammarella I. Large-eddy simulation and stochastic modeling of Lagrangian particles for footprint determination in the stable boundary layer // Geosci. Model Dev. 2016. V. 9. P. 2925–2949.

  33. Germano M., Piomelli U., Moin P., Cabot W.H. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model // Phys. Fluids A. 1991. V. 3. № 7. P. 1760–1765.

  34. Lilly D.K. A proposed modification of the Germano subgrid-scale closure method // Phys. Fluids A. 1992. V. 4. № 3. P. 633–635.

  35. Bou-Zeid E., Meneveau C., Parlange M. A scale-dependent Lagrangian dynamic model for large eddy simulation of complex turbulent flows // Phys. Fluids. 2005. V. 17. № 2. P. 025105-1–025105-18.

  36. Meneveau C., Lund T.S., Cabot W.H. A Lagrangian dynamic subgrid-scale model of turbulence // J. Fluid Mech. 1996. V. 319. P. 353–385.

  37. Gladskikh D.S., Stepanenko V.M., Mortikov E.V. О влиянии горизонтальных размеров внутренних водоемов на толщину верхнего перемешанного слоя // Водные ресурсы. 2021. Т. 48. № 2. С. 155–163.

  38. Kadantsev E., Mortikov E., Zilitinkevich S. The resistance law for stably stratified atmospheric planetary boundary layers // Q.J.R. Meteorol. Soc. 2021. V. 147. № 737. P. 2233–2243.

  39. Mortikov E.V. Численное моделирование движения ледяного киля в стратифицированной жидкости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 1. С. 120–128.

  40. Mortikov E.V., Glazunov A.V., Lykosov V.N. Numerical study of plane Couette flow: turbulence statistics and the structure of pressure-strain correlations // Russ. J. Numer. Analysis Math. Model. 2019. V. 34. № 2. P. 119–132.

  41. Morinishi Y., Lund T.S., Vasilyev O.V., Moin P. Fully conservative higher order finite difference schemes for incompressible flows // J. Comp. Phys. 1998. V. 143. P. 90–124.

  42. Brown D.L., Cortez R., Minion M.L. Accurate projection methods for the incompressible Navier-Stokes equations // J. Comp. Phys. 2001. V. 168. P. 464–499.

  43. Zang Y., Street R.L., Koseff J. A dynamic mixed subgrid-scale model and its application to turbulent recirculating flows // Phys. Fluids A. 1993. V. 5. № 12. P. 3186–3196.

  44. Lund T.S. On the use of discrete filters for large eddy simulation // Center for Turbulence Research, Annual Research Briefs. 1997. P. 83–95.

  45. Debolskiy A.V., Stepanenko V.M., Glazunov A.V., Zilitinkevich S.S. Интегральные модели проникающей конвекции со сдвигом скорости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 2. С. 3–16.

  46. Wong V., Lilly D.K. A comparison of two subgrid closure methods for turbulent thermal convection // Phys. Fluids. 1994. V. 6. № 2. P. 1017–1023.

  47. Tkachenko E.V., Debolskiy A.V., Mortikov E.V. Analysis of turbulent kinetic energy decay power law in atmospheric boundary layer models // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. V. 611, N 1. P. 012-014.

  48. Tkachenko E., Debolskiy A., Mortikov E., Glazunov A. Large-eddy simulation and parameterization of decaying turbulence in the evening transition of atmospheric boundary layer // Supplementary dataset. 2021. Available at https://doi.org/10.23728/b2share.cb7f24996d234148a56b4444875226d0

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал