稳定层结大气边界层中相干结构的几何与组织

在稳定层结的大气边界层（ABL）中观测到全局间歇性，其对应于在原本湍流化的流动中发展出大片非湍流流动区域。本文借助相干结构对连续湍流与间歇湍流之间的差异进行量化。我们从文献中识别出八类相干结构，其中大多数由源自速度场的标量判据指示。我们开发了一种将结构按几何形状分为三类的方法：团状、管状与片状。我们引入了基于相干结构的间歇性因子 $\gamma$ 的另一种定义，以分离流动中的湍流与非湍流部分。将此条件化技术与几何表征应用于 Ekman 流的直接数值模拟（DNS），我们发现：（i）无论层结强度如何，均可找到具有相似几何形状（管状或片状）的结构；（ii）全局间歇性影响 ABL 的所有区域——黏性底层、缓冲层、内层与外层；（iii）对于强层结情形，扫掠/喷射对在黏性底层内形成良好分离的团簇，这可能解释具有特定取向的马蹄状涡的丰富性；（iv）非湍流区域被流向速度脉动占据，且对所有层结情形在特定高度处高低速条带发生切换。