The energy- and flux budget theory for surface layers in atmospheric convective and stably stratified turbulence
本研究基于布辛涅斯克近似建立大气对流与稳定分层近地面层的EFB湍流闭合理论，揭示近地面层上下部湍流产生机制的差异，推导了可用于建模的多类湍流特征量垂直廓线的理论关系。
2022-06-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Settling and Clustering of Snow Particles in Atmospheric Turbulence
湍流对降雪的影响在目前的天气预报模式中没有考虑。在这里，我们证明了湍流实际上是对降雪速度和空间分布的关键影响。我们考虑三个降雪事件下的大气湍流水平有很大的不同。我们表征的雪颗粒的大小和形态，我们同时成像的速度，加速度和相对浓度超过垂直平面约30平方米的面积。我们发现，顺磁驱动的沉降增强解释否则颗粒尺寸和速度之间的矛盾趋势。Stokes数的估算以及垂向流速与局部浓度的相关性表明，优先扫掠机制是强化沉降的根源。当雪的垂直速度比特征湍流速度大时，交叉轨迹效应导致强烈的加速度。当满足优先扫掠条件时，浓度场高度不均匀，在很大尺度范围内出现聚集现象。这些集群，第一次在自然发生的流中识别，显示在规范设置中看到的签名特征：幂律尺寸分布，分形形状，垂直伸长，以及随集群大小增加的大下降速度。这些研究结果表明，粒子负载湍流的基本现象可以被利用到一个更好的预测了解雪降水和地面积雪。他们还演示了如何环境流量可以用来调查分散的多相流在雷诺数在实验室实验或数值模拟中无法访问。
2020-06-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Statistical analysis of wind speed fluctuation and increments of non-stationary atmospheric boundary layer turbulence
本文研究了大气边界层风速水平分量的统计特性。出于它的非平稳性，我们研究哪些参数保持不变，或可以被视为是分段常数，并解释如何估计它们。我们将验证自然大气边界层湍流是由连续发生的接近理想湍流的不同参数组成的图像。第一个重点放在风速的波动周围的平均行为。我们描述了一种方法估计的标准偏差的波动和平均风速之间的比例因子，并分析其时间依赖性。第二个重点是风速增量。我们调查的增量分布，并使用基于超统计的算法来量化的时间依赖性的参数描述的分布。应用所介绍的工具产生了一个全面的描述风速在大气边界层。
2008-11-20 physics.ao-ph physics.data-an physics.flu-dyn
A purely analytical and physical wind turbine wake model accounting for atmospheric stratification
IFP Energies nouvelles（法国石油研究院）
该研究提出仅依赖湍流强度与积分时间尺度的纯解析物理风力机尾流模型，可内在表征大气分层，并经LES验证优于Super-Gaussian模型。
2025-10-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Large-Eddy Simulation of Stably Stratified Atmospheric Boundary Layer Turbulence: A Scale-Dependent Dynamic Modeling Approach
发展了一种新的无调谐亚网格模型--局部平均尺度相关动力学（LASDD）模型，并将其应用于稳定边界层的大涡模拟（LES）。新模型动态计算Smagorinsky系数和亚网格尺度普朗特数的基础上解决的速度和温度场的局部动力学。总的来说，LES产生的湍流的统计数据与一些成熟的经验公式和理论预测（例如，Nieuwstadt的局部标度假说）是显著的。结果表明，在表层的大多数传统的亚网格尺度模式的明显改善。此外，与以前的稳定边界层的大涡模拟，有很强的依赖于网格分辨率相比，模拟统计数据与LASDD模型显示相对较小的分辨率依赖于这里考虑的网格尺寸的范围。从本质上讲，我们表明，新的LASDD模型是一个强大的亚网格尺度参数化的可靠，无调谐模拟稳定的边界层，即使相对粗糙的分辨率。
2005-02-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Kinetic Helicity in the Earth's atmosphere
概述了速度场的螺旋度（“动力学”螺旋度，以区别于磁流体力学，天体物理学和太阳物理学中使用的“磁”螺旋度;或在本章中简称为\emph{helicity}）和作用，这一概念在大气物理学和大气湍流的现代研究中发挥作用。螺旋度的一般信息，包括一些历史的评论和简要说明的基本作用，螺旋度发挥流体动力学。螺旋度概念的不同应用进行了讨论的各种动态大气过程的分析，包括应用到强烈的大气涡旋，如热带气旋，龙卷风和沙尘暴，也埃克曼边界层动力学。强调螺旋度平衡条件和重要作用，螺旋度通量发挥其维持。本文简要介绍了螺旋湍流理论的基本原理，着重讨论了大气边界层内湍流的螺旋特性。特别是，从奥布霍夫大气物理研究所（莫斯科）的研究小组的开拓性努力，以测量湍流螺旋度在自然大气条件下进行了说明。
2023-03-11 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the Trajectory Dependence of Atmospheric Boundary Layer Turbulence Sensing using Small Unmanned Vehicles
大气湍流，特别是近地面边界层中的大气湍流，由于需要捕获长度和时间尺度上的宽间隔以及传感器数量的限制，已知是欠采样的。在过去的十年中，无人机系统（UAS）技术的使用正在接近各种应用的普遍比例，特别是最近FAA放宽了飞行限制。从地球物理科学的角度来看，这种技术将允许感测大规模的大气流动，特别是大气边界层（ABL）湍流，城市环境中的空气质量监测，其中大量的小型，微创和移动传感器可以大大改变我们研究这种复杂现象的能力。目前，大气边界层物理观测资料非常稀少，这大大限制了分析。利用无人机群所能测量的数据量和分辨率，对大气边界层湍流相干结构进行三维重建和推导是可行的。然而，关键的挑战仍然存在于确定最佳轨迹的形式飞行的无人机系统，以获得相关的量化的湍流，从移动传感器的传感器数据的解释和理解如何代表是整个湍流边界层的稀疏测量。这导致了许多根本上有趣的问题，如果其中一些是在这篇文章中探讨。
2018-07-11 physics.flu-dyn
Assessment of low-altitude atmospheric turbulence models for aircraft aeroelasticity
本文研究了柔性飞行器在低空大气湍流中的动态响应。为此，本文采用了三种增逼真度的湍流模式，即一维vonK {á}rm{á}n模式、二维Kaimal模式和从大涡模拟（LES）中提取的全三维风场，对近地面环境湍流进行了模拟。采用完全耦合的非线性飞行动力学/气动弹性模型，对一种柔性大展弦比飞机在上述模型产生的背景大气湍流中进行载荷计算和飞行轨迹预测。在不同柔度的飞行器上对载荷包线和谱内容的比较表明，所选紊流模型和飞机气动弹性响应之间有很强的依赖性（例如，LES模型和von K{á}rm{á}n模型之间的翼根弯矩预测值相差58%）。这主要是由于在低海拔处存在大的流动结构，其具有与飞行器相当的尺寸，并且尽管地球边界层内的风速相对较小，但其导致总体高载荷事件。结果表明，一维模型，不捕捉这些影响提供相当不保守的负载估计，是不适合非常灵活的机身设计。
2019-08-01 physics.flu-dyn
Accelerated Bayesian calibration and uncertainty quantification of RANS turbulence model parameters for stratified atmospheric boundary layer flows
本研究采用机器学习加速的贝叶斯反演校准RANS湍流模型参数，基于大涡模拟数据量化不确定性，发现采样至ABL高度风速可降低关键参数不确定性达84%，并提升预测精度。
2025-05-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Semi-organized structures and turbulence in the atmospheric convection
本研究将能量与通量收支（EFB）理论拓展至大气对流边界层核心区，推导得到半组织结构的动能、热能及全局湍流特征与相关参数的关系，可应用于建模及相关实验与模拟分析。
2024-02-08 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Deep learning for subgrid-scale turbulence modeling in large-eddy simulations of the atmospheric boundary layer
在大涡模拟中，亚网格尺度（SGS）过程被参数化为过滤网格尺度变量的函数。一阶代数SGS模型基于涡粘性假设，这并不总是适用于湍流。在这里，我们应用有监督的深度神经网络（DNN）从一组相邻的粗粒度速度中学习SGS应力，这些粗粒度速度来自摩擦雷诺数Re_τ高达1243的大气边界层的直接数值模拟（DNS），而不调用涡粘性假设。DNN模型被发现产生更高的SGS应力的相关性相比，Smagorinsky模型和Smagorinsky-Bardina混合模型的表面和混合层，可以应用于不同的网格分辨率和各种稳定性条件，从近中性非常不稳定。关于潜在温度和压力的额外信息被发现对于SGS建模没有用。因此，深度学习展示了地球物理湍流LES的巨大潜力。
2019-10-26 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Turbulence Spectra in the Stable Atmospheric Boundary Layer
在高雷诺数下，层化会导致湍流谱偏离Kolmogorov的各向同性-5/3幂律标度。然而，关于光谱的确切形状还没有达成共识。本文在前人研究的基础上，通过理论推导，提出了水平波数下湍流动能谱和温度谱的形状，并将其划分为三个区域：浮力子区、过渡区和各向同性惯性子区。这些制度证实了在大气边界层的各种观测。我们还表明，DNS可能不适用于非常稳定的大气边界层在非常高的雷诺数的研究，因为他们不能正确地代表所观察到的光谱制度，因为缺乏尺度分离的限制，目前的计算能力。此外，在过渡区的光谱解释了为什么Monin-Obukhov相似理论不能完全描述的稳定大气边界的行为。
2018-10-19 physics.flu-dyn
Accelerating Atmospheric Turbulence Simulation via Learned Phase-to-Space Transform
Purdue University（普渡大学）
快速、准确地模拟湍流环境下的成像过程是发展湍流抑制算法的基础。认识到以前的方法的局限性，我们引入了一个新的概念，称为相位到空间（P2 S）变换显着加快模拟。P2 S基于三个思想：（1）将空间变化卷积重新表示为具有基函数的一组不变卷积，（2）通过已知的湍流统计模型学习基函数，（3）通过直接将相位表示转换为空间表示的轻量级网络实现P2 S变换。与主流分步模拟器相比，新模拟器提供300倍-1000倍的速度，同时保留基本的湍流统计数据。
2021-08-20 cs.CV eess.IV physics.flu-dyn
Superstatistical wind fields from point-wise atmospheric turbulence measurements
湍流风场的精确模型在大气科学中变得越来越重要，例如，用于确定风力发电场的时空相关性、涡轮机转子和叶片上的单个负载的估计，或者用于大气云中的颗粒-湍流相互作用或城市环境中的污染物分布的建模。由于禁止的任务，解决领域在广泛的规模，人们往往不得不诉诸随机风场模型，满足特定的，经验观察，属性。在这里，我们提出了一个新的模型，可以理解为一个著名的曼恩模型的扩展，在风能科学流入湍流的合成风场的生成。而这种高斯随机场模型仅控制二阶统计（即，速度相关张量或动能谱），我们明确表明，我们的扩展模型模拟高阶统计的影响。最重要的是，经验观察到的小尺度湍流现象，这可以被认为是大气湍流的关键特征之一，再现高精度和相当低的计算成本。我们的方法基于最近开发的湍流速度场的多点统计描述[J. Friedrich等人，J. Phys. Complex. 2 045006（2021）]，并且由具有波动协方差的多变量高斯统计的叠加组成。我们示范如何“超统计”风场可以约束在一定数量的逐点测量数据从气象桅杆阵列。
2022-09-01 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
Wake Turbulence of Two NREL 5-MW Wind Turbines Immersed in a Neutral Atmospheric Boundary-Layer Flow
该流体动力学视频考虑了在中性大气边界层（ABL）中由七个转子直径分开的两个NREL 5 MW涡轮机的阵列。中性大气边界层流动数据是通过使用OpenFOAM中的大涡模拟（LES）框架的前体ABL模拟获得的。轮毂高度平均风速8 m/s，表面粗糙度0.2m。采用激励线法（ALM），通过在动量方程中加入体积力，对风力机叶片进行建模。流体动力学视频从不同的角度显示了叶片产生的根部和尖端涡流。旋涡变得不稳定，并分解成大尺度的湍流结构。随着风力机的尾流向下游进一步平流，产生较小尺度的湍流。显然，由于上游风力机的尾流产生的湍流水平增加，下游风力机的叶片产生的涡流更快地分解。
2013-10-11 physics.flu-dyn
Analytical modelling of wind-turbine wake turbulence in neutral atmospheric boundary layers
IFP Energies nouvelles（IFP能源新动力）；Durham University（杜伦大学）
本文提出一种新的尾涡附加湍流强度模型，基于TKE和流体方向雷诺应力预算，结合经典RANS假设和远尾涡近似，实现简单实用且与LES和风洞实验一致的风场建模工具。
2026-04-30 physics.flu-dyn
Field investigation of 3D snow settling dynamics under weak atmospheric turbulence
本文利用三维PTV与雪花粒子分析仪开展现场观测，揭示四类雪花在弱湍流中的速度、阻力、蜿蜒轨迹及取向效应，以改进沉降速度和积雪预测模型。
2024-06-13 physics.flu-dyn
Application of superstatistics to atmospheric turbulence
我们成功地应用最近开发的超统计理论的时间序列的湍流风测量记录的风速计的佛罗伦萨机场。在这种方法中，我们可以很好地再现风速回报和差异的波动和PDF。
2005-02-12 astro-ph cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Environmental Atmospheric Turbulence at Florence Airport
我们提出了一个时间序列的风强度测量记录在佛罗伦萨机场在2002年10月至2003年3月期间的分析。同时采取的数据由两个跑道头风速计，位于900米的距离，在3.3 10-3赫兹的频率。数据显示，在几十个小时的长时间跨度内，相关性很强。我们进行了风速分析，因为它通常是为湍流实验室实验。风速回报和风速差被认为是。这些量的pdf表现出强的非高斯胖尾。伽玛分布可以成功地再现波动的标准偏差的分布，而对数正态分布则完全失败。按照Beck和Cohen超统计方法，我们从该Gamma分布中提取Tsallis熵指数q。相应的q指数曲线以非常好的精度再现了收益率和速度差的pdf。
2004-06-28 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
Current State of Atmospheric Turbulence Cascades
本文利用JHU湍流数据库的DNS和OpenFOAM的LES数据，结合盒计数法分析能量耗散的多重分形维数谱，以验证数值模拟能否更准确地复现Meneveau提出的各向异性湍流级联模型，从而改进大气湍流表示与遥感指标。
2024-12-27 physics.flu-dyn
The Surprising Transition in Atmospheric Boundary Layer Turbulence Structure from Neutral to Moderately Convective Stability States and Mechanisms Underlying Large-scale Rolls
白天大气边界层（ABL）湍流的矢量风结构强烈依赖于水平波动（由中尺度风驱动）的剪切驱动的湍流产生和垂直速度波动（由太阳能加热驱动）的浮力驱动的湍流产生之间的平衡，其特征在于全球不稳定状态参数$-z_i/L > 0$。在完全剪切驱动的中性限制$-z_i/L \rightarrow 0$，表面层是由负流向波动速度（低速条纹）的相干流向拉长浓度为主，而在适度对流状态（$z_i/L \sim 10$）浮力产生集中垂直速度波动的流向拉长热上升气流片。使用大涡模拟（LES），我们研究了中性和中度对流状态之间的转换，通过量化的相关性和积分尺度作为$-z_i/L$的功能，系统地增加地面热通量与固定的地转风。我们发现了一个令人惊讶的突然过渡ABL湍流结构在$-z_i/L \approx 0.40$与流向相干性的显着增强，特别是在混合层，和ABL动态响应的突然变化，进一步增加表面加热。在超临界ABL中，表面热通量的持续增加导致最大相干态，（$z_i/L \sim 1.0-1.5$）与螺旋形大尺度滚动结构和异常相干的热上升气流有关，这一过程由两个关键的动力学效应驱动：（a）流向速度波动和剪切驱动的低速条纹的流向相干性令人惊讶地持续增加，以及（b）增加了下表面层中的相干低速条纹与上混合层中的相干热上升气流之间的空间相关性。
2018-12-07 physics.flu-dyn
Multi-range fractional model for convective atmospheric surface-layer turbulence
提出多范围分数（MRF）模型捕捉受多种效应影响的多自相似范围湍流谱，利用青土湖高雷诺数观测数据验证，更新了多点Monin-Obukhov理论量化，并提出了流向速度方差垂直依赖关系新表达式，为湍流数据分析与合成生成提供新方法。
2024-12-24 physics.flu-dyn
Fluid-structure interaction simulation of floating structures interacting with complex, large-scale ocean waves and atmospheric turbulence
本文提出了一种数值方法来模拟复杂浮式结构与大尺度海浪和大气湍流的耦合作用。我们采用了一个有效的大型模型开发海上风和波浪的环境条件，然后将其纳入一个高分辨率的两相流求解器与流体-结构相互作用（FSI）。大尺度风浪相互作用模型基于Yang和Shen（2011）的双流体动力耦合方法，该方法采用高阶谱方法模拟水流运动，并采用具有波动边界的粘性求解器模拟空气运动。两相流FSI求解器由Calderer，Kang和Sotiropoulos（2014）开发，基于水平集方法，能够模拟任意复杂物体与气流和波浪的耦合动态相互作用。通过经由Guo和Shen（2009）的压力强迫方法将大尺度波场求解器与近场FSI求解器耦合，该压力强迫方法在本文中已经扩展用于水平集方法。我们验证了简单的波列和三维方向波的模型，并与实验和理论解的结果进行比较。最后，我们展示了新的计算框架进行大涡模拟的浮动海上风力机与现实的海洋风和波浪的相互作用的能力。
2016-05-04 physics.flu-dyn
Learning the structure of wind: A data-driven nonlocal turbulence model for the atmospheric boundary layer
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
我们开发了一种新的数据驱动的方法来模拟大气边界层。这种方法导致一个非局部的，各向异性的合成湍流模型，我们称之为深度快速失真（DRD）模型。我们的方法依赖于一个算子回归问题，其特征在于最佳拟合候选人在一般家庭的非局部协方差核参数化的神经网络的一部分。该协方差核族在傅立叶空间中表示，并且在非常高的雷诺数下从纳维-斯托克斯方程的近似解获得。该家族的每个成员都具有重要的物理性质，如质量守恒和现实的能量级联。DRD模型可以用来自现场实验的噪声数据进行校准。经过标定后，该模型可用于生成合成的湍流速度场。为此，我们提供了一个新的数值方法的基础上区域分解，提供可扩展的，内存效率的湍流生成与DRD模型以及其他。我们证明了我们的方法的鲁棒性与过滤和噪声数据来自1968年空军剑桥研究实验室堪萨斯州的实验。使用这些数据，我们见证了DRD模型的异常准确性，特别是与国际电工委员会标准相比。
2021-07-23 cs.LG physics.flu-dyn
