The Detection, Genesis, and Modeling of Turbulence Intermittency in the Stable Atmospheric Surface Layer

Intermittent transitions between turbulent and non-turbulent states are ubiquitous in the stable atmospheric surface layer (ASL). Data from two field experiments in Utqiagvik, Alaska, and from direct numerical simulations are used to probe these state transitions so as to (i) identify statistical metrics for the detection of intermittency, (ii) probe the physical origin of turbulent bursts, and (iii) quantify intermittency effects on overall fluxes and their representation in closure models. The analyses reveal three turbulence regimes, two of which correspond to weakly turbulent periods accompanied by intermittent behavior (regime 1: intermittent, regime 2: transitional), while the third is associated with a fully turbulent flow. Based on time series of the turbulence kinetic energy (TKE), two non-dimensional parameters are proposed to diagnostically categorize the ASL state into these regimes; the first characterizes the weakest turbulence state, while the second describes the range of turbulence variability. The origins of intermittent turbulence activity are then investigated based on the TKE budget over the identified bursts. While the quantitative results depend on the height, the analyses indicate that these bursts are predominantly advected by the mean flow, produced locally by mechanical shear, or lofted from lower levels by turbulent ejections. Finally, a new flux model is proposed using the vertical velocity variance in combination with different mixing length scales. The model provides improved representation (correlation coefficients with observations of 0.61 for momentum and 0.94 for sensible heat) compared to Monin–Obukhov similarity (correlation coefficients of 0.0047 for momentum and 0.49 for sensible heat), thus opening new pathways for improved parametrizations in coarse atmospheric models.

Wind and turbulence profiles in a simulated wind tunnel boundary layer

A system of Honeycomb Flat Plate (HFP) grid and cylindrical rods has been developed to accelerate the growth of a thick (32 cm) turbulent boundary layer, artificially, over rough floor of a low speed short test-section (0.61 m x 0.61 m) wind tunnel. Simulated profiles of wind velocity, longitudinal turbulence intensity and Reynolds stress are shown to have similarity to those of a neutral atmospheric boundary layer over a typical rural terrain. Longitudinal spectrum of turbulence measured at 10,30 and 100 mm above tunnel floor is shown to compare well with atmospheric spectrum and agree closely with the Kolmogoroff's -2/3 law in the inertial sub-range of the spectrum. Based on the length scale of longitudinal turbulence estimated from the spectrum, a scale of 1 :900 has been proposed for laboratory modeling of environmental problems wherein the transport of mass in a neutral atmospheric surface layer IS solely due to eddies of mechanical origin.

Impulsfluss an vertikalen Wänden – Messung und Parametrisierung

<p>Der globale Klimawandel hat einen großen Einfluss auf das städtische Klima, wobei sich durch die hohe Bebauungsdichte und Versiegelung viele Effekte wie Hitzewellen zusätzlich verstärken. Damit unsere Städte auch in Zukunft lebenswerte Orte bleiben, müssen diese an die veränderten klimatischen Bedingungen angepasst werden. Um diese Anforderungen umzusetzen, können dank der gestiegenen Rechenkapazitäten vermehrt wirbel- und gebäudeauflösende Large-Eddy-Simulations-(LES) Modelle wie das PALM-4U (Maronga et al., 2015) in der Praxis zur Stadtplanung eingesetzt werden. Die in diesen Modellen verwendeten Annahmen und Parametrisierungen zum Windprofil sowie Impulsfluss an vertikalen Wänden von Gebäuden basieren jedoch mangels geeigneter Daten zumeist auf Grenzschichtmessungen über nahezu homogenen Flächen (Businger, 1971). Daher stellt sich die Frage, wie gut diese Annahmen an vertikalen Wänden zutreffen. Wie sehen das Windprofil und der Impulsfluss an einer realen Fassade aus?</p> <p>Zur Untersuchung dieser Fragestellungen wurden im Rahmen des „Stadtklima im Wandel [UC]<sup>2</sup>“ Projektes zwei 6 m lange Ausleger in etwa 42 m (10. Stock) und 64 m (16. Stock) Höhe an der Fassade eines insgesamt 85 m hohen Gebäudes im Zentrum von Hamburg installiert. Um detaillierte Informationen zur Turbulenz zu erhalten, werden an beiden Auslegern in 2 m, 4 m und 6 m Entfernung zur Fassade die drei Windkomponenten mit 20 Hz erfasst. Die Messungen werden seit August 2021 durchgeführt, sodass unterschiedlichste Anströmungsrichtungen des Gebäudes als auch zahlreiche synoptische Situationen von schwachem bis stärkeren Wind gemessen wurden.</p> <p>Der einzigartige Messdatensatz an einer realen Hochhausfassade liefert detaillierte Einblicke in das Windprofil sowie den Impulsfluss an Gebäuden in Städten. Dies ermöglicht die Untersuchung der aktuell in vielen LES Modellen genutzten Annahmen wie zum Beispiel des logarithmischen Windprofils an Fassaden. Darüber hinaus wird die im PALM‑4U Modell verwendete Parametrisierung für den Impulsfluss mit den Messungen verglichen. Die Form des Windprofils an der Fassade ist unter anderem von der Anströmungsrichtung, der Geometrie sowie der Messposition am Gebäude abhängig. Die Turbulenzintensität nimmt unabhängig der Anströmung in allen drei Komponenten mit größerem Abstand zur Fassade hin ab. Die Ergebnisse werden in Hinblick auf verbesserte Parametrisierungen in Modellen diskutiert.</p> <p> </p> <p><strong>Literatur:</strong></p> <p>Businger, J. A., Wyngaard, J. C., Izumi, Y., and Bradley, E. F.: 1971, ‘Flux-Profile Relationships in the Atmospheric Surface Layer’, <em>J. Atmos. Sci.</em> 28, 181–189.</p> <p>Maronga, B., Gryschka, M., Heinze, R., Hoffmann, F., Kanani-Sühring, F., Keck, M., Ketelsen, K., Letzel, M. O., Sühring, M., and Raasch, S. (2015): The Parallelized Large-Eddy Simulation Model (PALM) version 4.0 for atmospheric and oceanic flows: model formulation, recent developments, and future perspectives, Geosci. Model Dev., 8, 1539-1637, DOI:10.5194/gmd-8-2515-2015.</p>

Turbulent kinetic energy balance in the atmospheric surface layer over a tropical region

ABSTRACT. The various tenns of the turbulent kinetic energy budget in the surface layer over Jodhpur, India have been worked out and compared with established similarity relations. The turbulent production and dissipation tend to balance under moderately unstable conditions for most of the runs considered for investigation.