非平稳冠层中的平均流与湍流

非平稳性是大气边界层（ABL）中的常态。在此类条件下，流动可能偏离与下垫面应力的平衡，剪切应力与应变率错位，且湍流统计呈现三维性。现有 ABL 流理论主要针对统计平稳流动条件建立，无法预测此类行为。受这一认知缺口的驱动，本研究分析了时变压力梯度对类城市表面上方平均流与湍流的影响。我们开展了一系列流过立方体阵列的脉动流大涡模拟，以程序化方式改变振荡幅度 $\alpha$ 和强迫频率 $\omega$。分析聚焦于长时间平均和相位依赖的流动动力学。对长时间平均速度剖面的检视表明，气动粗糙长度 $z_0$ 随 $\alpha$ 和 $\omega$ 增大，而位移高度 $d$ 似乎对这些参数不敏感。就相位平均流动统计而言，发现 $\alpha$ 主要控制流向速度和雷诺应力的振荡幅度，但对其壁法向结构影响可忽略。另一方面，$\omega$ 决定了受非平稳强迫影响区域的大小，即所谓的斯托克斯层厚度 $\delta_s$。在斯托克斯层内，相位平均的解析雷诺应力剖面在脉动周期中呈现显著变化，且湍流与平均流失去平衡。我们提出了两个现象学模型，分别刻画流动非平稳性对 $z_0$ 和 $\delta_s$ 的影响。