Инд. авторы:	Васильев О.Ф., Воропаева О.Ф., Курбацкий А.Ф.
Заглавие:	Турбулентное перемешивание в устойчиво стратифицированных течениях окружающей среды: современное состояние проблемы (обзор)
Библ. ссылка:	Васильев О.Ф., Воропаева О.Ф., Курбацкий А.Ф. Турбулентное перемешивание в устойчиво стратифицированных течениях окружающей среды: современное состояние проблемы (обзор) // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. - 2011. - Т.47. - № 3. - С.291-307. - ISSN 0002-3515.
Внешние системы:	РИНЦ: 16455247;
Реферат:	rus: Анализируются особенности турбулентного переноса импульса и тепла в устойчиво стратифицированных геофизических течениях и возможности их учета в RANS-моделях турбулентности. К таким особенностям, например, относится перенос импульса (но не тепла) внутренними гравитационными волнами в условиях сильной устойчивости. Лабораторные данные и измерения в атмосфере фиксируют отчетливый спадающий тренд обратного турбулентного числа Прандтля с ростом градиентного числа Ричардсона, который должен воспроизводиться моделями турбулентности. Игнорирование этой особенности может вызывать ложную диффузию тепла при сильной устойчивости и приводить, в частности, к заметным погрешностям при вычислении температуры в атмосферном пограничном слое. Поэтому модели турбулентного переноса должны включать эффект воздействия плавучести и внутренних гравитационных волн на турбулентные потоки импульса. В обзоре такая стратегия моделирования стратифицированной турбулентности представлена конкретной RANS-моделью и оригинальными результатами, полученными при моделировании стратифицированных течений в окружающей среде. Выполнен анализ полуэмпирических моделей турбулентности, применяемых для расчетов сложных турбулентных течений в глубоководных стратифицированных водоемах. Эта часть обзора основывается на материалах исследований, проводившихся в рамках крупного международного научного проекта CARTUM (Comparative Analysis and Rationalization of Second-Moment Turbulence Models), и других публикациях ведущих специалистов. Наиболее экономичный и эффективный подход, связанный с модифицированными двухпараметрическими моделями турбулентности, представляет собой реальную альтернативу классическим вариантам этих моделей. Рассматривается класс тестовых задач, лабораторных и натурных экспериментов, которые используются участниками проекта CARTUM для апробации численных моделей.
Издано:	2011
Физ. характеристика:	с.291-307
Цитирование:	1. 1. Richardson L.F. The supply of energy from and to atmospheric eddies // Proc. R. Soc. London. 1920. Ser. A. V. 97. № 686. P. 354–373. 2. 2. Galperin B., Sukhoriansky S., Anderson F.S. On the critical Richardson number in stably stratified turbulence // Atmos. Sci. Let. 2007. V. 8. № 3. Р. 65–69. 3. 3. Zilitinkevich S.S., Elperin T., Kleeorin N. et al. Turbulence energetic in stably stratified geophysical flows: Strong and weak mixing regimes // Q. J. R. Meteor. Soc. 2008. V. 134. № 633. Р. 793–799. 4. 4. Canuto V.M., Cheng Y., Howard A.M. et al. Stably stratified flows. A model with no Ri(cr) // J. Atmos. Sci. 2008. V. 65. № 7. Р. 2437–2447. 5. 5. Laval J.-P., McWilliams J., Dubrulle B. Forced stratified turbulence: Successive transitions with Reynolds number // Physical Review. 2003. V. E 68. Р. 036308. 6. 6. Monin A., Yaglom A. Statistical fluid mechanics: Mechanics of turbulence. 1975. V. 1. Cambridge: The MIT Press, 742 с. 7. 7. Yamamoto G. Generalization of the KEYPS formula in diabatic conditions and related discussion on the critical Richardson number // J. Meteor. Soc. of Japan. 1975. V. 53. № 3. P. 189–195. 8. 8. Lettau H. Wind and temperature profile prediction for diabatic surface layers including strong inversion cases // Bound.-Layer Meteorol. 1979. V. 17. № 4. Р. 443–464. 9. 9. Monti P., Fernando H.J.S, Princevac M. et al. Observations of flow and turbulence in the nocturnal boundary layer over a slope // J. Atmos. Sci. 2002. V. 59. № 17. Р. 2513–2534. 10. 10. Strang E.J., Fernando H.J.S. Vertical mixing and transport through a stratified shear layer // J. Phys. Oceanogr. 2001. V. 31. № 6. Р. 2006–2048. 11. 11. Ohya Y. Wind-tunnel study of atmospheric stable boundary layers over a rough surface // Bound.-Layer Meteorol. 2001. V. 98. № 1. Р. 57–82. 12. 12. Kondo J.O., Kanechika O., Yasuda N. Heat and momentum transfers under strong stability in the atmospheric surface layer // J. Atmos. Sci. 1978. V. 35. № 6. Р. 1012–1021. 13. 13. Ueda H., Mirsumoto S., Komori S. Buoyancy effects on the turbulent transport processes in the lower atmosphere // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1981. V. 107. № 453. Р. 561–578. 14. 14. Jacobitz F.G., Rogers M.M., Ferziger J.H. Waves in stably stratified turbulent flow // J. Turbulence. 2005. V. 6. № 32. Р. 1–12. 15. 15. Weinstock J. Vertical turbulent-diffusion in a stably stratified fluid // J. Atmos. Sci. 1978. V. 35. № 6. Р. 1022–1027. 16. 16. Osborn T. Estimates of the local rate of vertical diffusion from dissipation measurements // J. Phys. Oceanogr. 1980. V. 10. № 1. Р. 83–89. 17. 17. Gregg M.C., Sanford T.B., Winkel D.P. Reduced mixing from the breaking of internal waves in equatorial waters // Nature. 2003. V. 422. № 6931. Р. 513–515. 18. 18. Beare R.J. MacVean M.K., Holtslag A.A.M. et al. An Intercomparison of large-eddy simulations of the stable boundary layer // Bound.-Layer Meteorol. 2006. V. 118. № 2. Р. 247–272. 19. 19. Kosovic B., Curry J.A. A large eddy simulation study a quasi-steady, stably stratified atmospheric boundary layer // J. Atmos. Sci. 2000. V. 57. № 8. Р. 1052–1068. 20. 20. Nieuwstadt F.T.M. The turbulent structure of the stable, nocturnal boundary layer // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. № 14. P. 2202–2216. 21. 21. Basu S., Porte-Agel F. Large-eddy simulation of stably stratified atmospheric boundary layer turbulence: A scale-dependent dynamic modeling approach // J. Atmos. Sci. 2006. V. 63. № 8. Р. 2074–2091. 22. 22. Mellor G.L., Yamada T. A hierarchy of turbulence closure models for planetary boundary layer // J. Atmos. Sci. 1974. V. 31. № 7. Р. 1791–1806. 23. 23. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. Space Phys. 1982. V. 20. № 4. Р. 851–875. 24. 24. Canuto V.M., Vinotti F., Ronchi C. et al. Second-order closure model with new third-order moments: comparison with LES data // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. № 12. Р. 1605–1618. 25. 25. Canuto V.M., Howard A., Cheng Y. et al. Ocean turbulence. Pt I: one-point closure model-momentum and heat vertical diffusivities // J. Phys. Oceanogr. 2001. V. 31. № 6. Р. 1413–1425. 26. 26. Canuto V. M., Howard A., Cheng Y. et al. Ocean turbulence. I: Vertical diffusivities of momentum, heat, salt, mass, and passive scalars // J. Phys. Oceanogr. 2002. V. 32. № 1. Р. 240–252. 27. 27. Canuto V.M., Cheng Y., Howard A.M. New third-order moments for the convective boundary layer // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58. № 9. Р. 1169–1172. 28. 28. Курбацкий А.Ф., Курбацкая Л.И. Трехпараметрическая модель турбулентности для атмосферного пограничного слоя над урбанизированной поверхностью // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. № 4. C. 476–494. 29. 29. Kurbatskiy A.F., Kurbatskaya L.I. @ turbulence closure model for an atmospheric boundary layer including the urban canopy // Meteor. Atmos. Phys. 2009. V. 104. № 1–2. Р. 63–81. 30. 30. Andre J.C., DeMoor G., Lacarrere P. et al. Modeling the 24-hour evolution of the mean and turbulent structures of the planetary boundary layer // J. Atmos. Sci. 1978. V. 35. № 10. Р. 1861–1883. 31. 31. Cheng Y., Canuto V.M., Howard A.M. Nonlocal convective pbl model based on new third- and fouth-order moments // J. Atmos. Sci. 2005. V. 62. № 7. Р. 2189–2204. 32. 32. Canuto V. M., Cheng Y., Howard A.M. Non-local ocean mixing model and new plume model for deep convection // Ocean Modelling. 2007. V. 16. № 1–2. Р. 28–46. 33. 33. Zilitinkevich S.S., Elperin T., Kleeorin N. et al. Energy-and flux-budget (EFB) turbulence closure model for stably stratified flows. Pt I: steady-state, homogeneous regimes // Bound.-Layer Meteorol. 2007. V. 125. № 2. Р. 167–191. 34. 34. Zilitinkevich S.S., Esau I.N. Similarity theory and calculation of turbulent fluxes at the surface for the stably stratified atmospheric boundary layers // Bound.-Layer Meteorol. 2007. V. 125. № 2. 193–206. 35. 35. Rotta J.C. Statistische Theorie nichthomogener Turbulenz // Zeitschrift fur Physic. 1951. Вd. 129. № 6. S. 547–572. 36. 36. Launder B.E, Reece G., Rodi W. Progress in the development of a Reynolds-stress turbulent closure // J. Fluid Mech. 1975. V. 68. № 3. Р. 537–566. 37. 37. Launder B. E. Simulation and modeling of turbulent flows. New York: Oxford University Press, 1996. 314 p. 38. 38. Zeman O., Lumley J.L. Buoyancy effects in entraining turbulent boundary layers: A second-order closure study // Turbulent Shear Flows / Eds.: F. Durst et al. Berlin: Springer, 1979. Р. 295–302. 39. 39. Weinstock J. A theory turbulence transport // J. Fluid Mech. 1989. V. 202. Р. 319–338. 40. 40. Zhang J., Steele M. Effect of vertical mixing on the Atlantic Water layer circulation in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. C04S04. 9 p. doi: 10.1029/2006JC003732. 41. 41. Cheng Y., Canuto V.M., Howard A.M. An improved model for the turbulent PBL // J. Atmos. Sci. 2002. V. 59. №. 9. Р. 1550–1565. 42. 42. Girimaji S.S., Balachandar S. Analysis and modeling of buoyancy-generated turbulence using numerical data // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998. V. 41. № 6–7. Р. 915–929. 43. 43. Курбацкий А.Ф., Курбацкая Л.И. О турбулентном числе Прандтля в устойчиво стратифицированном атмосферном пограничном слое // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 2. С. 40–49. 44. 44. Canuto V.M., Minotti F. Stratified turbulence in the atmosphere and oceans: A new subgrid model // J. Atmos. Sci. 1993. V. 50. № 13. Р. 1925–1935. 45. 45. Ilyshin B.B., Kurbatskii A.F. New models for calculating third-order moments in the planetary boundary layer // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 1998. V. 34. № 6. 772–781. 46. 46. Jin L.H., So R.M.C., Gatski T.B. Equilibrium states of turbulent homogeneous buoyant flows // J. Fluid Mech. 2003. V. 482. Р. 207–233. 47. 47. Lu J., Arya S.P.S., Snyder W.H. et al. A laboratory study of the urban heat island in a calm and stably stratified environment. Pt I: Temperature field; Pt II: Velocity field // J. Appl. Meteorol. 1997. V. 36. № 10. Р. 1377–1402. 48. 48. Kurbatskii A.F. Computational modeling of the turbulent penetrative convection above the urban heat island in a stably stratified environment // J. Appl. Meteorol. 2001. V. 40. № 10. Р. 1748–1761. 49. 49. Курбацкий А.Ф., Курбацкая Л.И. Проникающая турбулентная конвекция над островом тепла в устойчиво стратифицированной окружающей среде // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37. № 2. С. 149–161. 50. Marine turbulence: theories, observations, and models // Eds.: H. Baumert, J. Simpson, Ju. Sunderman. Cambridge: Cambridge University Press, 2005. 630 p. 51. 51. Burchard H., Baumert H. On the performance of a mixed-layer model based on the @ turbulence closure // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. № C5. Р. 8523–8540. 52. 52. Burchard H., Petersen O., Rippeth T.P. Comparing the performance of the Mellor-Yamada and the @ two-equation turbulence models // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № C5. Р. 10543–10554. 53. 53. Baumert H., Peters H. Second-moment closures and length scales for weakly stratified turbulent shear flows // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № C3. Р. 6453–6468. 54. 54. Kantha L.H., Clayson C.A. An improved mixed-layer model for geophysical applications // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № C12. Р. 25 235–25 266. 55. 55. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. № C5. Р. 5305–5328. 56. 56. Galperin B., Kantha L. H., Hassid S. et al. A quasi-equilibrium turbulent energy model for geophysical flows // J. Atmos. Sci. 1988. V. 45. № 1. Р. 55–62. 57. 57. Burchard H., Bolding K. Comparative analysis of four second-moment turbulence closure models for the oceanic mixed layer // J. Phys. Oceanogr. 2001. V. 31. № 8. Р. 1943–1968. 58. 58. Kato H., Phillips O.M. On the penetration of a turbulent layer into stratified fluid // J. Fluid Mech. 1969. V. 37. № 4. Р. 643–655. 59. 59. Lu Y., Lueck R.G. Using a broadband ADCP in a tidal channel. Part II: turbulence // J. Atmos. Ocean. Technol. 1999. V. 16. № 11. Р. 1568–1590. 60. 60. Mellor G.L. One-dimensional, ocean surface layer modeling: a problem and a solution // J. Phys. Oceanogr. 2001. V. 31. № 3. Р. 790–809. 61. 61. Peters H., Baumert H. Validating a turbulence closure against estuarine microstructure measurements // Ocean Modelling. 2007. V. 19. № 3–4. Р. 183–203. 62. 62. Willis G.E., Deardorff J.W. A laboratory model of the unstable planetary boundary layer // J. Atmos. Sсi. 1974. V. 31. № 5. Р. 1297–1307. 63. 63. Pollard R.T. Observations and theories of Langmuir circulations and their role in near surface mixing // A Voyage of Discovery: George Deacon 70th Anniversary Volume / Ed. M. Angel. Oxford: Oxford Pergamon Press, 1977. Р. 235–251. 64. 64. Price J.F. On the scaling of stress-driven entrainment experiments // J. Fluid Mech. 1979. V. 90. № 3. Р. 509–529. 65. 65. Deleersnijder E., Luyten P. On the practical advantages of the quasi-equilibrium version of the Mellor and Yamada level 2.5 turbulence closure applied to marine modelling // App. Math. Modelling. 1994. V. 18. № 5. Р. 281–287. 66. 66. Large W.G., McWilliams J.C., Doney S.C. Oceanic vertical mixing: a review and a model with nonlocal boundary layer parameterization // Rev. Geophys. 1994. V. 32. № 4. Р. 363–403. 67. 67. Burchard H., Petersen O. Models of turbulence in the marine environment – а comparative study of two-equation turbulence models // J. Mar. Sys. 1999. V. 21. № 1–4. Р. 29–53. 68. 68. Burchard H. Applied turbulence modeling in marine waters. Berlin: Springer, 2002. 215 p. 69. 69. Burchard H., Stips A., Eifler W. et al. Numerical simulation of dissipation measurements in non-stratified and strongly stratified estuaries // Interactions between estuaries, coastal seas and shelf seas / Ed. T. Yanagi. Tokyo: TERRAPUB, 2000. Р. 1–18. 70. 70. Simpson J.H., Crawford W.R., Rippeth T.P. et al. The vertical structure of turbulent dissipation in shelf seas // J. Phys. Oceanogr. 1996. V. 26. № 8. Р. 1579–1590. 71. 71. Simpson J.H., Rippeth T.P., Campbell A.R. The phase lag of turbulent dissipation in tidal flow // Interactions between estuaries, coastal seas and shelf seas. Ed. by T. Yanagi. Tokyo: TERRAPUB, 2000. 57–67. 72. 72. Simpson J.H., Brown J., Matthews J. et al. Tidal straining, density currents, and stirring in the control of estuarine stratification // Estuaries. 1990. V. 13. № 2. 125–132. 73. 73. Stips A., Burchard H., Bolding K. et al. Modelling of convective turbulence with a two-equation @ turbulence closure scheme // Ocean Dynamics. 2002. V. 52. № 4. Р. 153–168.