Нелинейное развитие структур в экмановском слое
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.2.17Ключевые слова:
атмосферный пограничный слой, нелинейный режим, численное моделирование, спиральность, неустойчивость, асимметрияАннотация
Исследуются нелинейные режимы развития упорядоченных структур в экмановском слое. В расчетах используется двухмасштабная модель атмосферного пограничного слоя (АПС). Поле скорости представляется как горизонтально-однородный профиль скорости ветра и трехмерное поле скорости, связанное с валиковой циркуляцией, зависящее от вертикальной координаты и координаты в направлении, перпендикулярном ориентации валиков. Влияние турбулентности учитывается через параметры турбулентной вязкости. Учитывается модификация профиля ветра вследствие валиков. При ряде значений числа Рейнольдса реализуются различные типы гидродинамической неустойчивости, характерные для АПС, проявляющиеся во взаимной ориентации возникающих периодических по горизонтальной координате валиков и геострофического ветра, а также в масштабах и пространственных периодах структур. С увеличением числа Рейнольдса растут средняя энергия и спиральность. В диапазоне значений 200÷300 их поведение близко к линейному, что указывает на возможность применения при этих значениях Re слабонелинейных подходов, в которых амплитуды возмущений скорости растут как Re1/2. Отмечается рост асимметрии валиков, сопровождающийся заметным повышением, по сравнению с амплитудами по направлению ветра, экстремальных значений амплитуды продольной компоненты скорости, ориентированной противоположно геострофическому ветру. Одновременно наблюдается повышение, по отношению к отрицательным значениям, уровня экстремальных значений положительной компоненты спиральности. Проведено качественное сопоставление данных вычислений с аналогичными характеристиками когерентных структур АПС, измеренными методами акустического зондирования (Калмыкия, июль 2007 года), Обнаружено, что в последних также имеет место асимметрия в распределении продольной компоненты скорости. В расчетах по мезомасштабной атмосферной модели RAMS картина валиковой циркуляции начинает воспроизводится при горизонтальном шаге сетки 500 м. Получено неплохое соответствие результатов моделирования и измеренных реальных пространственных распределений циркуляционных движений, центры которых расположены на высотах примерно 1200÷1300 м. Найденные значения турбулентной вязкости и эффективного числа Рейнольдса характерны для условий неустойчивой стратификации.
Скачивания
Библиографические ссылки
Гранберг И.Г., Крамар В.Ф., Кузнецов Р.Д., Чхетиани О.Г., Каллистратова М.А., Куличков С.Н., Артамонова М.С., Кузнецов Д.Д., Перепелкин В.Г., Перепелкин Д.B., Погарский Ф.А. Исследование пространственной структуры атмосферного пограничного слоя сетью доплеровских содаров // Известия РАН. ФАО. - 2009. - T. 45, № 5. - C. 579-587. DOI
2. Etling D., Brown R.A. Roll vortices in the planetary boundary layer: A review // Bound.-Lay. Meteorol. - 1993. - Vol. 65, no. 3. - P. 215-248. DOI
3. Foster R. Signature of large aspect ratio roll vortices in synthetic aperture radar images of tropical cyclones // Oceanography. - 2013. - Vol. 26, no. 2. - P. 58-67. DOI
4. Chou S.-H., Atlas D. Satellite estimates of ocean-air heat fluxes during cold air outbreaks // Mon. Weather Rev. - 1982. - Vol. 110, no. 10. - P. 1434-1450. DOI
5. Hein P.F., Brown R.A. Observations of longitudinal roll vortices during arctic cold air outbreaks over open water // Bound.-Lay. Meteorol. - 1988. - Vol. 45, no. 1. - P. 177-199. DOI
6. Brümmer B. Roll and cell convection in wintertime arctic cold-air outbreaks // J. Atmos. Sci. - 1999. - Vol. 56, no. 15. - P. 2613-2636. DOI
7. Wurman J., Winslow J. Intense sub-kilometer-scale boundary layer rolls observed in hurricane fran // Science. - 1998. - Vol. 280, no. 5363. - P. 555-557. DOI
8. Morrison H., Curry J.A., Khvorostyanov V.I. A New double-moment microphysics parameterization for application in cloud and climate models. Part I: Description // J. Atmos. Sci. - 2005. - Vol. 62, no. 6. - P. 1665-1677. DOI
9. Foster R.C. Why rolls are prevalent in the hurricane boundary layer // J. Atmos. Sci. - 2005. - Vol. 62, no. 8. - P. 2647-2661. DOI
10. Ginis I., Khain A. P., Morozovsky E. Effects of large eddies on the structure of the marine boundary layer under strong wind conditions // J. Atmos. Sci. - 2004. - Vol. 72, no. 9. - P. 3049-3063. DOI
11. Gao K., Ginis I. On the equilibrium-state roll vortices and their effects in the hurricane boundary layer // J. Atmos. Sci. - 2016. - Vol. 73, no. 3. - P. 1205-1222. DOI
12. Chou S.H., Ferguson M.P. Heat fluxes and roll circulations over the western Gulf Stream during an intense cold-air outbreak // Bound.-Lay. Meteorol. - 1991. - Vol. 55, no. 3. - P. 255-281. DOI
13. Браун Р.А. Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 150 с.
14. Lilly D.K. On the stability of Ekman boundary flow // J. Atmos. Sci. - 1966. - Vol. 23. - P. 481-494. DOI
15. Орданович А.Е., Пашковская Ю.В. Влияние термической стратификации на устойчивость экмановского течения // МЖГ. - 1998. - № 3. - С. 71-76. DOI
16. Kaylor R., Faller A.J. Instability of the stratified Ekman boundary layer and the generation of internal waves // J. Atmos. Sci. - 1972. - Vol. 29, no. 3. - P. 497-509. DOI
17. Weckwerth T.M., Wilson J.W., Wakimoto R.M., Crook N.A. Horizontal convective rolls: Determining the environmental conditions supporting their existence and characteristics // Mon. Weather Rev. - 1997. - Vol. 125, no. 4. - P. 505-526. DOI
18. Михайлова Л.А., Орданович А.Е. Моделирование двухмерных упорядоченных вихрей в пограничном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. - 1988. - № 11. - С. 29-42.
19. Brown R.A. Longitudinal instabilities and secondary flows in the planetary boundary layer: A review // Rev. Geophys. - 1980. - Vol. 18, no. 3. - P. 683-697. DOI
20. Stensrud D.J., Shirer H.N. Development of boundary layer rolls from dynamic instabilities // J. Atmos. Sci. - 1988 - Vol. 45, no. 6. - P. 1007-1019. DOI
21. Dubos T., Barthlott C., Drobinski P. Emergence and secondary instability of Ekman layer rolls // J. Atmos. Sci. - 2008. - Vol. 65, no. 7. - P. 2326-2342. DOI
22. Гаврилов К.А., Morvan D., Accary G., Любимов Д.В., Meradji S., Бессонов О.А. Численное моделирование когерентных структур при распространении примеси в атмосферном пограничном слое над лесным пологом // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2010. - Т. 3, № 2. - С. 34-45.23. DOI
23. Шварц К.Г., Шварц Ю.А., Шкляев В.А. Двумерная модель мезомасштабных процессов в нижнем слое атмосферы с учетом неоднородности температуры и влажности воздуха // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2015. - Т. 8, № 1. - С. 5-15. DOI
24. Etling D. Some aspect of helicity in atmospheric flows // Beitr. Phys. Atmosph. - 1985. - Vol. 58, no. 1. - P. 88-100.
25. Курганский М.В. О связи между спиральностью и потенциальным вихрем в сжимаемой вращающейся жидкости // Известия АН СССР. ФАО. - 1989. - Т. 25, № 12. - С. 1326-1329.
26. Hide R. Superhelicity, helicity and potential vorticity // Geophys. Astro. Fluid. - 1989. - Vol. 48, no. 1-3. - P. 69-79. DOI
27. Чхетиани О.Г. О спиральной структуре экмановского пограничного слоя // Известия РАН. ФАО. - 2001. - Т. 37, № 5. - С. 614-620.
28. Копров Б.М., Копров В.М., Пономарев В.М., Чхетиани О.Г. Измерение турбулентной спиральности и ее спектра в пограничном слое атмосферы // ДАН. - 2005. - Т. 403, № 5. - С. 627-630. DOI
29. Копров Б.М., Копров В.М., Курганский М.В., Чхетиани О.Г. Спиральность и потенциальный вихрь в приземной турбулентности // Известия РАН. ФАО. - 2015. - Т. 51, № 6. - С. 637-647. DOI
30. Deusebio E., Lindborg E. Helicity in the Ekman boundary layer // J. Fluid Mech. - 2014. - Vol. 755. - P. 654-671. DOI
31. Coleman G.N., Ferziger J.H., Spalart P.R. A numerical study of the turbulent Ekman layer // J. Fluid Mech. - 1990. - Vol. 213. - P. 313-348. DOI
32. Coleman G.N., Ferziger J.H., Spalart P.R. A numerical study of the convective boundary layer // Bound.-Lay. Meteorol. - 1994. - Vol. 70, no. 3. - P. 247-272. DOI
33. Deardorff J. W. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layers // J. Atmos. Sci. - 1972. - Vol. 29, no. 1. - P. 91-115. DOI
34. Foster R.C. An analytic model for planetary boundary roll vortices / PhD Thesis. - WA, Seattle: University of Washington, 1996. - 196 p.
35. Mason P., Thomson D. Large-eddy simulations of the neutral-static-stability planetary boundary layer // Q. J. Roy. Meteor. Soc. - 1987. - Vol. 113, no. 476. - P. 413-443.36. DOI
36. Lin C.-L., McWilliams J., Moeng C.-H., Sullivan P. Coherent structures and dynamics in a neutrally stratified planetary boundary layer flow // Phys. Fluids. - 1996. - Vol. 8, no. 10. - P. 2626-2639. DOI
37. Drobinski P., Carlotti P., Redelsperger J.-L., Masson V., Banta R.M., Newsom R.K. Numerical and experimental investigation of the neutral atmospheric surface layer // J. Atmos. Sci. - 2007. - Vol. 64. - P. 137-156. DOI
38. Пономарев В.М., Чхетиани О.Г., Шестакова Л.В. Нелинейная динамика крупномасштабных вихревых структур в турбулентном экмановском слое // МЖГ. - 2007. - № 4. - С. 72-82. DOI
39. Пономарев В.М., Чхетиани О.Г., Шестакова Л.В. Численное моделирование развитой горизонтальной циркуляции в атмосферном пограничном слое // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2009. - Т. 2, № 1. - С. 68-80. DOI
40. Пономарев В.М., Чхетиани О.Г. Полуэмпирическая модель пограничного слоя атмосферы с параметризацией влияния турбулентной спиральности // Известия РАН. ФАО. - 2005. - Т. 41, № 4. - С. 464-479.
41. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. - М.: Мир, 1980. - 618 с.
42. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. - М.: Наука, 1989. - 432 с.
43. Том А., Эйплт К., Темпла Д. Числовые расчеты полей в технике и физике. - М.: Энергия, 1964. - 208 с.
44. Kraichnan R.H. Helical turbulence and absolute equilibrium // J. Fluid Mech. - 1973. - Vol. 59, no. 4. - P. 745-752. DOI
45. Калашник М.В., Хапаев А.А., Чхетиани О.Г. О циклон-антициклонной асимметрии в устойчивости вращающихся сдвиговых течений // МЖГ. - 2016. - № 2. - С. 44-55. DOI
46. Hoffmann N., Busse F.H., Chen W.L. Transitions to complex flows in the Ekman-Couette layer // J. Fluid Mech. - 1998. - Vol. 366. - P. 311-331. DOI
47. Hoffmann N.P., Busse F.H. Isolated solitary vortex solutions for the Ekman Couette layer // Eur. J. Mech. B-Fluid. - 2000. - Vol. 19, no. 3. - P. 391-402. DOI
48. Mourad P.D., Brown R.A. Multiscale large eddy states in weakly stratified planetary boundary layers // J. Atmos. Sci. - 1990. - Vol. 47, no. 4. - P. 414-438. DOI
49. Corke T.C., Knasiak K.F. Stationary travelling cross-flow mode interactions on a rotating disk // J. Fluid Mech. - 1998. - Vol. 355. - P. 285-315. DOI
50. Cotton W.R., Pielke Sr. R.A., Walko R.L., Liston G.E., Tremback C.J., Jiang H., McAnelly R.L., Harrington J.Y., Nicholls M.E., Carrio G.G., McFadden J.P. RAMS 2001: Current status and future directions // Meteorol. Atmos. Phys. - 2003. - Vol. 82, no. 1. - P. 5-29. DOI
51. Blackadar A.K. The vertical distribution of wind and turbulent exchange in a neutral atmosphere // J. Geophys. Res. - 1962. - Vol. 67, no. 8. - P. 3095-3102. DOI
52. Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Кузнецов Р.Д., Каллистратова М.А., Крамар В.Ф., Люлюкин В.С., Кузнецов Д.Д. Оценка спиральности в атмосферном пограничном слое по данным акустического зондирования // Известия РАН. ФАО. - 2017. - Т. 53, № 2. - С. 200-214. DOI
53. Etling D. The Stability of the Ekman boundary layer flow as influenced by the thermal stratification // Beitr. Phys. Atmosph. - 1971. - Vol. 44. - P. 168-186.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
