Численное моделирование нейтрально стратифицированного атмосферного пограничного слоя

Abstract

Статья посвящена численному исследованию нейтрально стратифицированного планетарного атмосферного пограничного слоя над однородной шероховатой поверхностью. Для расчетов использовалась модель больших вихрей LESNIC с динамической смешанной схемой турбулентного подсеточного замыкания. Рассмотрена структура турбулентности в атмосферном пограничном слое для разных значений безразмерного поверхностного числа Россби. Получены законы сопротивления – зависимости полного угла поворота ветра и геострофического коэффициента сопротивления от числа Россби. Определены вертикальные профили средней скорости, турбулентных напряжений, дисперсий компонент скорости, турбулентной кинетической энергии. Рассчитаны пространственные спектры кинетической энергии турбулентности. Показано, что в модели удовлетворительно воспроизводятся результаты, полученные ранее. Продемонстрированы значительные преимущества модели больших вихрей со смешанной динамической схемой подсеточного замыкания.

Стаття присвячена чисельному дослідженню нейтрально стратифікованого планетарного атмосферного прикордонного шару над однорідною шорсткою поверхнею. Для розрахунків використовувалася модель великих вихорів LESNIC з динамічною змішаною схемою турбулентного підсіткового замикання. Розглянуто структуру турбулентності в атмосферному прикордонному шарі для різних значень безрозмірного поверхневого числа Россбі. Отримано закони опору – залежності повного кута повороту вітру і геострофічного коефіцієнта опору від числа Россбі. Визначено вертикальні профілі середньої швидкості, турбулентних напружень, дисперсій компонент швидкості, турбулентної кінетичної енергії. Розраховані просторові спектри кінетичної енергії турбулентності. Показано, що в моделі задовільно відтворюються результати, отримані раніше. Продемонстровані значні переваги моделі великих вихорів зі змішаною динамічною схемою підсіткового замикання.

The paper concerns numerical investigation of the neutrally stratified planetary atmospheric boundary layer over a homogeneous rough surface. The large eddy simulation model LESNIC including a dynamical mixed scheme of turbulent sub-grid closure is used for modeling. The turbulence structure in the atmospheric boundary layer for various values of the non-dimensional surface Rossby number is considered. The drag laws, i. e. dependences of the cross-isobaric surface wind angle and the geostrophical drag coefficient on the Rossby number, are obtained. Vertical profiles of average velocity, turbulent stresses, variances of velocity components, turbulent kinetic energy are defined. Spatial spectra of turbulence kinetic energy are computed. It is shown that the model satisfactorily reproduces the results obtained earlier. Significant benefits of the large eddy simulation model including the dynamical mixed sub-grid closure scheme are demonstrated.