Analyses of Turbulence in the Neutrally and Stably Stratified Planetary Boundary Layer

این پایان نامه مطالعه ای از لایه بندی قوی و فروپاشی تلاطم در لایه مرزی سیاره ای ارائه می دهد که راه جدیدی را در این زمینه باز می کند. این اولین کاری است که تمام رژیم های آشفتگی طبقه بندی شده را در یک چارچوب شبیه سازی یکپارچه بدون گسست در پارادایم های نمایش آشفتگی مطالعه می کند.

تا به امروز، پیشرفت‌ها در درک ما و پارامترسازی تلاطم در لایه مرزی پایدار به دلیل مشکلات شبیه‌سازی رژیم به شدت طبقه‌بندی‌شده با مشکل مواجه شده‌اند، و تجزیه و تحلیل در درجه اول بر اساس اندازه‌گیری‌های میدانی بوده است. محتوای ارائه شده در اینجا آن پارادایم را با نشان دادن توانایی شبیه‌سازی عددی مستقیم برای رسیدگی به این مشکل و با انجام این کار برای حذف عدم قطعیت مدل‌های آشفتگی از تحلیل، تغییر می‌دهد. با استفاده از یک لایه اکمن طبقه بندی شده پایدار به عنوان یک مدل فیزیکی ساده شده از لایه مرزی پایدار، سه رژیم طبقه بندی مشاهده شده در طبیعت - به صورت ضعیف، متوسط ​​و قوی طبقه بندی شده - بازتولید می شوند و داده ها متعاقبا برای پاسخ به سوالات کلیدی و طولانی مدت استفاده می شوند.

بخش اصلی کتاب در سه بخش مقدمه جامع، اعداد و فیزیک تنظیم شده است. پایان نامه با یک نتیجه گیری واضح و مختصر به پایان می رسد که مفاهیم خاصی را برای مطالعه لایه مرزی پایدار ارائه می دهد. این ساختار بر نتایج فیزیکی تأکید دارد، اما در عین حال به جنبه‌های فنی طرح‌های عددی و ابزارهای پس پردازش مرتبط است. انتخاب ادبیات مربوطه در طول مقدمه، و استفاده از آن در طول کار به طور مناسب ادبیات دو جامعه تحقیقاتی را ترکیب می کند: دینامیک سیالات، و هواشناسی لایه مرزی.

This thesis presents a study of strong stratification and turbulence collapse in the planetary boundary layer, opening a new avenue in this field. It is the first work to study all regimes of stratified turbulence in a unified simulation framework without a break in the paradigms for representation of turbulence.

To date, advances in our understanding and the parameterization of turbulence in the stable boundary layer have been hampered by difficulties simulating the strongly stratified regime, and the analysis has primarily been based on field measurements. The content presented here changes that paradigm by demonstrating the ability of direct numerical simulation to address this problem, and by doing so to remove the uncertainty of turbulence models from the analysis. Employing a stably stratified Ekman layer as a simplified physical model of the stable boundary layer, the three stratification regimes observed in nature— weakly, intermediately and strongly stratified—are reproduced, and the data is subsequently used to answer key, long-standing questions.

The main part of the book is organized in three sections, namely a comprehensive introduction, numerics, and physics. The thesis ends with a clear and concise conclusion that distills specific implications for the study of the stable boundary layer. This structure emphasizes the physical results, but at the same time gives relevance to the technical aspects of numerical schemes and post-processing tools. The selection of the relevant literature during the introduction, and its use along the work appropriately combines literature from two research communities: fluid dynamics, and boundary-layer meteorology.