长期稳定大气边界层与夜间稳定大气边界层：DNS 特征、相似性理论与制度分类

稳定大气边界层 (SABL) 广泛分为两种子类型：由表面冷却驱动的夜间 SABL，以及与表面冷却共存且可持续超过单个昼夜循环的长期 SABL。尽管后者在极地地区和开阔海域上占据主导地位，但其关注程度相对较少，且尚未报告系统性的直接数值模拟 (DNS) 研究来区分其与夜间 SABL。本文对长期 SABL 进行 DNS，分别对弱和强环境分层情形进行测试，并与夜间 SABL 进行对比。长期 SABL 最显著的特征是多层热力学结构的出现——包括静态稳定性减弱的中间层，由浮力逆转层顶部驱动——这种现象并非由增强的湍流混合所致，而是由分层引起的浮力场重组所致。预算分析识别出一种在夜间 SABL 中不存在的以湍流势能为中心的输运机制，为总能量闭合方法提供了支持。评估包含复合尺度 $L_*$ 的扩展 Monin-Obukhov 相似性理论，发现无量纲速度梯度 $\phi_m$ 和势温梯度 $\phi_h$ 的尺度化效果显著，提出了新的 $\phi_h$ 相似函数。结合 DNS 与线性稳定性分析，我们构建了制度图谱，将线性稳定、弱稳定和非常稳定的制度划分为二维无量纲空间中的三个区域，表明长期 SABL 本质上是多参数性质，单参数亚网格尺度参数化方法存在局限性。