稳定当地湍流闭合模式
文摘:根本问题在边界层物理推断有限测量平均速度和标量属性的一般描述,连同他们的雷诺兹通量包括直接的边界值。大气的表层,广泛的研究一直致力于相关方法相对简单的测量通量。这种方法的核心是描述表面粗糙度对动量和标量变量。通常,塔部署水平两个或两个以上的仪表和地表通量估计从平均测量整个塔使用某种形式的Monin-Obukhov无因次梯度(例如,用校车接送学生et al . 1971;安德烈亚斯和Claffey 1995),或从平均梯度和通量,确定通过直接协方差或光谱技术(例如,埃德森et al . 1991年)。
IOBL,这是更简单的因为各种各样的原因。首先,在上层海冰表面相比,冰下形态学的变化常常整个边界层中占据了一个很重要的部分。如果IOBL尺度大气边界层的1/30,一个高压脊m帆船,5-6-m龙骨呈现完全不同的方面各自的边界层。一般来说,IOBL参数化问题,许多表层假设(恒定应力、压力和平均速度共线没有方向的变化,等等)显然是不合适的。
见第八章,有时候可以解决时间数值PBL模式与给定的初始条件,让它发展在时间变化迫使字段。给出一个合适的时间序列的观测在一个特定的位置,在一定程度上,该模型可以观察到繁殖特征(说混合层温度、盐度、深度),该模型将提供一个合理准确的描述整个长方形的交流。这取决于有现实的初始条件和合理准确的时间序列迫使字段(例如,风力或冰速度,传导热通量的冰,等等)。在许多情况下,观测都散落在时间和地点(例如,电台从一艘船或飞机在区域调查),和一个想产生一个长方形的结构的“快照”,估计通量在地表或接近底部的混合层。
m . McPhee Air-Ice-Ocean交互,173 - 192。©Springer科学+商业媒体的帐面价值,2008年
即使存在一个相对完整的测量,我们常常面对抽样推断的测量问题(因为在几个位置操作注意事项,通常是偏向相对光滑的冰)的一般描述整个周围冰原,这反过来可能会适当的描述一个网格单元数值模型(这是有时被称为“扩大”的问题)。一个例子从ISPOL(2008年McPhee出版社)有助于澄清这个问题。的浮冰漂北西部威德尔海组成一个企业集团的几个不同的冰类型包括频繁成脊状的部分,相对薄米)地区的第一年冰,加上合理的平滑区域的多年冰厚约2米。对于大多数项目的动荡桅杆位于下冰的类型,下面的附近很顺利,但是随着压力脊和浮冰边缘在前100米左右的网站。向漂移的最后阶段的项目(12月25日)冰川分裂,强迫搬迁动荡的桅杆,上周的项目是在薄冰岭附近一个小压力。
在第一次部署,我们持续观察一个大幅增加湍流应力随深度在6米跨度的湍流桅杆McPhee 2008(见图9.10),这是我们解释为更深层次的传感器捡湍流产生的一些距离大型水面下的特性。经常被观察到这一现象在其他项目中,通常的桅杆在光滑的冰,但是有粗糙度特性在一个距离给出大致的平均速度比规模速度(u / *)乘以涡流传感器测量的深度(2001年莫里森和McPhee)的接口。例如,抽搐2米以下边界可能感觉粗糙度特性在约30米,而湍流测量4 m低可能回应下面突起100米之外。这个经验法则似乎持有相当不错的美女以及ISPOL(2002年McPhee)。
短期部署在项目的最后,两个集群的桅杆,1和3 m冰下面,下面分别最初放置,这样主要潮流会方法从北部或南部相对平滑的冰,和并行小岭位于西方的压力。部署后不久,然而,浮冰旋转,如果当前桅杆来自东北,感知的龙骨直接上游湍流桅杆,大影响流上几米。安装包括一个声学多普勒剖面仪提供高分辨率的当前配置文件从大约10到30米深度。两个例子从第二个安装图9.1所示:一个流接近桅杆在光滑的冰,和第二个相对流几乎直接在冰脊龙骨。在前一种情况中,当前结构显示了相当发达埃克曼螺旋,摩擦速度在1 m的s_1约5毫米,和直接应用低的无量纲速度,我们推断出约0.8毫米的表面粗糙度。当流方法在龙骨,速度图从ADP数据在范围从10到30米埃克曼将再次展现了预期,但现在电流在TIC深度更深的一小部分电流,说明流堵塞。如果你*的估计
图9.1电流测量相对于漂流浮冰在第二次在ISPOL部署。浮冰大纲和取向,桅杆方形符号表示的位置和ADP电流向量在10米、30米深度。北了。一个更完整的当前速度图与抽搐电流放大视图所示。列表框的摩擦速度和无因次电流。沉重的黑色曲线代表一个小压力脊的位置。为中心的3 - h平均时间365.25(2004年1月31日),从光滑的冰流接近,和b 363.5时间流从山脊龙骨
图9.1电流测量相对于漂流浮冰在第二次在ISPOL部署。浮冰大纲和取向,桅杆方形符号表示的位置和ADP电流向量在10米、30米深度。北了。一个更完整的当前速度图与抽搐电流放大视图所示。列表框的摩擦速度和无因次电流。沉重的黑色曲线代表一个小压力脊的位置。为中心的3 - h平均时间365.25(2004年1月31日),从光滑的冰流接近,和b 363.5时间与流从山脊龙骨协方差统计1公尺的表面价值,Z0大约17厘米。冰脊的流动扰动,很多基础的假设通量决定会怀疑,我们通常会国旗等数据不可靠。另一方面,这个例子说明了形成拖累高压脊龙骨将构成浮冰之间的总动量转移的重要组成部分和海洋,除非底面非常光滑。
评估的阻力和增强混合甚至一个高压脊龙骨是一项艰巨的任务需要广泛的计算(见,例如,Skyllingstad et al . 2003年),和推断结果整个异构浮冰增加了相当大的困难。然而,更深的提示当前概要文件在图9.1中,通过考虑发生在外层IOBL的一部分,或许可以推断表面性质的代表整个浮冰,要点是,因为浮冰移动作为一个刚体,深度大于大多数底面突起,湍流必须有一些综合影响不同表面条件。在这一章,我们探索这个概念的建模技术发达ISPOL测量(2008年McPhee出版社)。
9.1模型描述
与标量守恒方程,动量承认的埃克曼方程稳态解。“稳定”版本的当地湍流闭合模式(SLTC)开发的有限测量推断在特定时间来推断整个边界层的结构。SLTC模型的主要假设和简化,动荡调整实际上瞬间表面条件,以便守恒方程可以忽略不计的当地时间计算相对于垂直交换条件(例如,势头\ ut \ ^ \ tz -如果你\)的垂直运输TKE在大多数IOBL实例化并不是一个主要因素。虽然这些假设是怀疑大惯性振荡存在时,或在快速变化在表面通量条件下,他们仍然经常持续相当长时间,特别是当冰盖紧凑。在实践中该模型需要一个相当不错的描述上的温度和盐度结构海洋,和一些估计摩擦速度的接口方式,也许从冰速度或表面风(如果冰自由漂流)。如下解释,模型利用迭代方案,首先估计IOBL涡流粘度仅仅从表面通量条件。然后通过雷诺模拟,估计使用涡流扩散系数基于标量通量模型涡粘性。一般来说,这些通量影响湍流尺度和涡流粘度,稳定的势头是解决新的涡流粘度,通量回馈,等等。我们演示了(1999年McPhee),使用这种模型来模拟温度和盐度的时间演化上海洋产生结果类似于使用二次矩关闭模拟模型(水平figueres Mellor和山田1982)。后者需要向前走六个守恒方程,而SLTC时间走只有T, S字段。计算成本,没有很大的优势,因为迭代方案计算昂贵,但关键是要表明,纯粹的当地(空间和时间)湍流的描述类似通量产生更复杂的模型,进行额外的动量方程,TKE,掌握长度尺度。
模型采用基本相同的物理第七章中描述的时间模型,除了而不是向前步进时间从一个初始状态,迫于规定表面条件,它认为一个固定上层海水温度和盐度的状态,用一套界面通量条件和迭代解动量和标量通量基于身体涡粘性和标量扩散系数的合理分布。
9.2涡流粘度和扩散系数的迭代
与时间模型,对于每一个时间步的地方浮力通量和涡流扩散系数确定从先前的时间步,“独立”SLTC模式开始从最初的猜测浮力通量,然后迭代的解决方案建模u *和观察T / S资料确定边界层结构。
为了说明方法,考虑潜在的温度和盐度的3 - h平均资料从示巴的后期项目(图9.2)和假设u * o = 18毫米s_1规定。这是使用T和年代在海洋上计算(w b %。的初始猜测涡流粘度(图9.3)是由确定最大值Kmax = u * oAmax Amax决定从u * o和w b} o根据7.6节中描述的算法。指数下降在表层应力假定除了它不同K z | | u * o。这个估计假设中性稳定整个水柱,标量扩散系数等于粘度,仍然是不切实际的大型远过去混合层深度(虚线在图9.2 b)。箭头从a到b表示,应用标量扩散系数观察0年代概要文件提供了一个初步估计的浮力通量整个长方形的,也是不切实际的大混合层以下。通过应用混合长度与第一个模型估计算法的概要文件(w b}(图9.3 b)和u * o指定界面通量,估计第二公里(图9.3摄氏度),制成新的估计(图9.3 d),等等,对于一个指定的迭代次数。结果涡流粘度和浮力通量下一次迭代后显示在图9.3 e和f,连同十迭代后的结果(灰色曲线)。
模拟涡流粘度的细节显示在图9.4中,连同估计两个抽搐的涡流粘度,计算产品的地方摩擦速度和混合长度(在波数成反比
位温盐度
位温盐度
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- 图9.2示巴分析器潜在温度和盐度3 - h平均集中00:00UT 1998年9月20日,用来说明SLTC模型。虚线表示混合层中最后一个网格点好
最大的在w频段)。密度跃层的上部(图9.4 b),公里减少指数密度跃层深度的测量距离,定义为平方浮力频率第一的水平超过最低水平,在这种情况下2.5 x的纯2。结合u * p和(W b”)从模型的解决方案在密度跃层级别确定X上密度跃层。密度跃层的稳定分层,标量扩散系数比涡粘性是一个函数的梯度理查森数(7.6节)因为湍流是更有效地转移势头比标量属性。这将导致一个更快速的减少与Kh的深度。
雷诺应力模型,从公里和数值速度梯度的乘积,显示为u *(运动压力大小的平方根)在图9.5中,随着测量。示范,选择u * 0集群建模较低的压力匹配测量仪器(6米以下的冰)连续调整的初始猜测假设一个指数下降到6米级别的接口。模拟热通量(-pCpKhQz),图9.5 b所示,表明一个向上的通量约10 W m - 2混合层的上部,同意测量(卡式肺囊虫肺炎(W T '))仪表组水平。注意,只有“建模”部分的热通量资料是涡流扩散系数,Kh。结果是一致的界面通量取决于高程混合层温度在零上(方形符号)。在较低的部分
9.2涡流粘度/扩散系数迭代涡流粘度
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