Scaling non-stationary turbulence during the afternoon and evening transition of the convective boundary layer
Doctoral thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3174033Utgivelsesdato
2025-02-07Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Geophysical Institute [1298]
Sammendrag
Turbulens, transport og blanding i det atmosfæriske grenselaget (ABL) er relevant for en rekke felt med stor samfunnsmessig betydning, som urban meteorologi, kontroll og varsling av luftkvalitet, landbruksmeteorologi og hydrologi, vindenergi og numerisk værvarsling. På disse feltene er det utfordrende å forstå og representere turbulens på et nyttig kompleksitetsnivå på grunn av de mange effektene som er involvert, for eksempel ikke-stasjonæritet, overflateheterogenitet, orografi, skyer, aerosoler, stråling, . . . . Derfor er det nyttig med grunnleggende studier av slike effekter.
Energibalansen på landoverflaten er sterkt påvirket av døgnsyklusen, og det samme er turbulensen i ABL. På dagtid er det typisk lav vind og klar himmel forbundet med turbulens drevet av en sensitiv varmefluks på overflaten, som har en negativ trend fra en maksimumsverdi rundt middagstid til null kort før solnedgang. Den resulterende turbulensen avtar derfor også i løpet av ettermiddagens overgang til det konvektive grenselaget (CBL).
For å demonstrere skaleringen mellom den ikke-stasjonære overflatefølsomme varmestrømmen og turbulensstyrken i CBL, tok de tidligste observasjons- og numeriske studiene utgangspunkt i et kvasi-likevektsrammeverk. Det betyr at turbulensen på et gitt tidspunkt bare avhenger av drivkraften på det aktuelle tidspunktet. Med andre ord følger turbulensen et kontinuum av likevektstilstander. Kvasi-likevektsrammeverket bygger på en antakelse om at den følbare varmefluksen på overflaten varierer over tidsskalaer som er mye større enn den karakteristiske tidsskalaen for turbulensjustering. Denne antakelsen er implisitt i de fleste studier som omhandler turbulensskalering i CBL.
Basert på idealiserte store virvelsimuleringer (LES) har denne avhandlingen som mål å forbedre forståelsen av turbulensskalering i det frikonvektive grenselaget under (i) overgangen sent på ettermiddagen når den overflatefølsomme varmestrømmen fortsatt er en kilde til turbulens, men kvasi-likevektsantagelsen bryter sammen, og (ii) overgangen tidlig på kvelden når den overflatefølsomme varmestrømmen blir en kilde til turbulens.
I den første artikkelen analyserer vi hvordan hastighetsprofilene avviker fra den kvasistasjonære tilstanden som beskrives av den velkjente blandingslagskaleringa. Vi fant at både den karakteristiske tidsskalaen for avtagende overflatefølsom varmefluks og tidsskalaen for konvektiv virvelomsetning bør tas med i betraktningen for å evaluere avviket fra kvasi-likevekt, uavhengig av formen på avtagende overflatefølsom varmefluks.
Den andre artikkelen utvider LES-resultatene fra den første artikkelen og viser at i regimet der den overflatefølsomme varmestrømmen varierer raskt sammenlignet med tidsskalaen for konvektiv virvelomsetning, er den vertikale hastighetsvariansen karakterisert av en ny hastighetsskala som avhenger av den overflatefølsomme varmestrømmens tidsderivat i stedet for den overflatefølsomme varmestrømmen. Størrelsen på overflate-varmestrømmen i den innledende fasen av ubalanse-regimet er en implisitt parameter i den foreslåtte likheten. Vi gir fysiske argumenter som støtter den nye hastighetsskalaen fra skaleringsanalyse av budsjettligningen for den vertikale turbulente varmestrømmen.
I den tredje artikkelen analyserer vi power-law-avtakshastigheten til turbulensens kinetiske energi, midlet mellom overflaten og inversjonen, i overgangen tidlig på kvelden. Vi viser at i det tradisjonelle skaleringsrammeverket der tidsopprinnelsen er definert som tidspunktet da overflatevarmefluksen begynner å avta, varierer avtakseksponenten over mer enn ett tiår som et resultat av at varigheten mellom maksimum og null overflatefølsom varmefluks varierer. I det nye foreslåtte skaleringsrammeverket, der tidsopprinnelsen er definert som tidspunktet da overflatevarmestrømmen forsvinner, finner vi en universell avklingseksponent i størrelsesorden 1. Turbulence is a key process in the atmospheric boundary layer (ABL) and the related turbulent transport of heat, moisture, momentum and other atmospheric components, as trace gases and aerosols, is relevant for various fields with high societal impact, such as urban meteorology, control and management of air quality, agricultural meteorology and hydrology, wind energy, and numerical weather prediction. Understanding and representing turbulence and its effects at useful levels of complexity is challenging due to multiple effects involved such as non-stationarity, surface heterogeneity, orography, and the interaction with atmospheric components as clouds and aerosols, e.g., by radiative processes. Hence, idealized studies provide a useful framework to improve our understanding of the basic physical mechanisms involved.
Mainly driven by the surface energy balance, the ABL over land during fair-weather conditions is characterized by a distinct diurnal cycle. During daytime, low-winds and clear-sky conditions are typically associated with a convective boundary layer (CBL) and turbulence driven by a positive surface sensible heat flux, which features a negative trend from a maximum value around midday to zero shortly before sunset. Hence, the resulting turbulence also decays during the afternoon transition of the convective boundary layer (CBL). While the behaviour of the developed CBL is rather well understood, our knowledge on the characteristics and development of the afternoon and evening transition of the CBL is still rather limited.
For demonstrating the scaling relating the non-stationary surface sensible heat flux to the turbulence strength in the developed CBL during a few hours around midday, the earliest observational and numerical studies considered a quasi-equilibrium framework. This means that turbulence at any given time depends only on the forcing at that time. In other words, turbulence follows a continuum of equilibrium states. The quasi-equilibrium framework relies on the assumption that the surface sensible heat flux varies over time scales much larger than the characteristic time scale of turbulence adjustment. This assumption is implicit in the majority of studies dealing with turbulence scaling in the CBL.
Based on idealized large eddy simulations (LES), this thesis aims to improve the understanding of turbulence scaling in the free-convective boundary layer during (i) the late afternoon transition when the surface sensible heat flux remains a source of turbulence but the quasi-equilibrium assumption breaks down, then (ii) the early evening transition when the surface sensible heat flux is no longer a source of turbulence.
The first paper analyses the departure of the velocity-variances profiles from their quasi-steady state described by the well known mixed-layer scaling. We found that both the characteristic time scale of the surface sensible heat flux decay, and the convective eddy-turnover time scale should be taken into account in order to evaluate the departure from quasi-equilibrium, irrespective of the shape of the surface sensible heat flux decay.
Extending the LES results of the first paper, the second paper shows that in the regime where the surface sensible heat flux varies rapidly compared to the convective eddy-turnover time scale, the vertical-velocity variance is characterized by a new velocity scale depending on the surface sensible heat flux time-derivative rather than the surface sensible heat flux. The surface heat flux magnitude at the initial stage of the out-of-equilibrium regime is an implicit parameter in the proposed similarity. We provide physical arguments supporting the new velocity scale from scaling analysis of the budget equation for the vertical turbulent heat flux.
The third paper analyses the power-law decay rates of the turbulence kinetic energy averaged between the surface and the capping inversion, in the early evening transition. We show that in the traditional scaling framework where the time origin is defined as the time when the surface heat flux starts to decay, the decay exponent varies over more than one decade as a result of varying the duration between the maximum and the zero surface sensible heat flux. In the new proposed scaling framework where the time origin is defined as the time when the surface heat flux vanishes, we find a universal decay exponent on the order of 1.
Består av
Paper 1: Omar El Guernaoui, Joachim Reuder, Dan Li, Björn Maronga, Mostafa Bakhoday Paskyabi, Tobias Wolf, Igor Esau, (2023) The Departure from Mixed-Layer Similarity During the Afternoon Decay of Turbulence in the Free-Convective Boundary Layer: Results from Large-Eddy Simulations, Boundary-Layer Meteorology 188, 259–284. The article is available at: https://hdl.handle.net/11250/3082806Paper 2: Omar El Guernaoui, Dan Li, Joachim Reuder, Scaling the vertical-velocity variance during the very late afternoon transition of the convective boundary layer. The article is not available in the archive.
Paper 3: Omar El Guernaoui, Joachim Reuder, Igor Esau, Tobias Wolf, Björn Maronga, (2019) Scaling the Decay of Turbulence Kinetic Energy in the Free-Convective Boundary Layer, Boundary-Layer Meteorology 173, 79–97. The article is available at: https://hdl.handle.net/1956/23435