An investigation of coupled atmospheric and oceanic boundary layers using large eddy simulation

行星边界层 环境科学 大涡模拟 大气科学 气象学 大气模式 地质学 大气(单位) 气候学 湍流 物理
作者
Peter P. Sullivan,James C. McWilliams,Edward G. Patton
出处
期刊:Journal of the Atmospheric Sciences [American Meteorological Society]
标识
DOI:10.1175/jas-d-24-0149.1
摘要

Abstract The marine atmospheric and oceanic boundary layers (ABL and OBL) are a two-way coupled system. At the ocean surface, the ABL and OBL share surface fluxes of momentum and buoyancy that incorporate variations in sea-surface temperature (SST) and currents. To investigate the interactions a coupled ABL-OBL large-eddy simulation (LES) code is developed and exercised over a range of atmospheric stability. At each time step, the coupling algorithm passes oceanic currents and SST to the atmospheric LES which in turn computes surface momentum, temperature, and humidity fluxes driving the oceanic LES. Equations for each medium are time advanced using the same time step, but utilize different grid resolutions: the horizontal grid resolution in the ocean is approximately four times finer, e.g. , (△ x o ,△ x a ) = (1.22,4.88) m. Interpolation and anterpolation (its adjoint) routines connect the atmosphere and ocean surface layers. In the simplest setup of a statistically horizontally homogeneous flow, the largest scale ABL turbulent shear convective rolls leave an imprint on the OBL currents in the upper layers. This result is shown by comparing simulations that use coupling rules that are applied either instantaneously at every x-y gridpoint or averaged across an x-y plane. The spanwise scale of the ABL turbulence is ~ 1000m while the depth of the OBL is ~ 20 m. In these homogeneous, fully coupled cases, the large-scale spatially intermittent turbulent structures in the ABL modulate SST, currents, and the connecting momentum and buoyancy fluxes, but the mean profiles in each medium are only slightly different.
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