大涡模拟数据库在中性与稳定层结边界层一阶闭合优化中的应用
摘要
大涡模拟（LES）是一种公认的数值技术，可分辨行星边界层中最具能量的湍流涨落。对这些涨落取平均，可在具有明确定义和边界条件的实验中获得平均值与湍流统计量的高质量剖面。因此，LES 数据有益于对湍流闭合方案进行评估和优化。本研究应用包含 80 次中性与稳定层结行星边界层 LES 算例的数据库（DATABASE64）来优化一阶湍流闭合（FOC）。对混合长度尺度和稳定度修正函数进行了调参，以最小化整个 DATABASE64 上的相对均方根误差。新的稳定度函数具有正确的渐近形式，可描述理论推演、大气数据和 LES 中发现的强混合与弱混合状态。正确的渐近形式排除了 FOC 表述中需要临界 Richardson 数的必要。此外，我们分析了 FOC 质量随边界层整体稳定度及垂直模式分辨率的变化关系。我们表明，FOC 绝不可能完美，因为边界层上半部分的湍流并非由局地梯度产生。相应地，参数化通量与 LES 通量在边界层上部去相关。考虑到这一缺陷，我们表明只要垂直模式分辨率在边界层内优于 10 层，FOC 在强稳定边界层中便不会出现系统性的质量退化。与以往研究一致，我们发现质量随垂直分辨率细化缓慢提升。通常明智的做法是，不在大气最低 500 m 内过度拉伸网格，因为大多数观测到、模拟到以及理论预测的稳结边界层均位于此范围内。
引用
@article{arxiv.physics/0612206,
title = {Application of a Large Eddy Simulation Database to Optimization of First Order Closures for Neutral and Stably Stratified Boundary Layers},
author = {Igor N. Esau and Oyvind Byrkjedal},
journal= {arXiv preprint arXiv:physics/0612206},
year = {2007}
}
备注
The submission to a special issue of the Boundary-Layer Meteorology devoted to the NATO advanced research workshop Atmospheric Boundary Layers: Modelling and Applications for Environmental Security