Numerical simulations of convective boundary layers under different stability categories of the Pasquill-Gifford Chart

Pasquill-Gifford図の安定度区分に基づく対流境界層の数値シミュレーション

佐藤 拓人  ; 中山 浩成   

Sato, Takuto; Nakayama, Hiromasa

Large-eddy simulation(LES)モデルを用いて、Pasquill-Gifford(PG)線図の安定度区分に基づく対流境界層の数値シミュレーションを行った。このとき、各安定度区分の特徴を満たす乱流が模擬できる風速と顕熱フラックスの組み合わせを調査した。さらに、対流境界層厚さが生成乱れに及ぼす影響や、生成した乱れが既存の速度スケール()によってスケールするかを調査した。本研究では、安定度区分B(不安定)、C(弱不安定)、D(中立)の乱れを模擬することができた。しかし、対流境界層厚さを600mに設定し区分Dを仮定して模擬した乱れはによるスケール則に従わなかった。によるスケール則に従う乱れを生成するには、対流境界層厚さを小さくする必要があることがわかった。一方、区分B(不安定)を仮定した場合は、対流境界層厚さが小さいと対流境界層上部の遷移層が崩れてしまうことがわかった。これらの結果から、LESモデルを用いてPG図に基づく安定度区分ごとの乱流を模擬するためには、風速と顕熱フラックスに加えて、対流境界層厚さも適切に設定する必要があることが示唆された。

Numerical simulations of convective boundary layers (CBLs) based on the stability categories of the Pasquill-Gifford (PG) chart were conducted using a large-eddy simulation (LES) model. We studied the simulation settings for different combinations of wind speeds and sensible heat fluxes that could quantitatively generate turbulences satisfying the requirement of each stability category. Additionally, we determined appropriate CBL depths for desired turbulence generation and verified the effectiveness of the velocity scale () in turbulence generation simulations. This study identified wind speed and sensible heat flux combinations that could generate turbulences under the atmospheric stability categories B (unstable), C (weakly unstable), and D (neutral). However, the results did not follow the scaling law based on in category D when the CBL depth was 600 m. A shallower CBL (300 m depth) should be set in category D to generate turbulence under the scaling law based on . In category B, the transient layer disappeared due to active thermals in the CBL when the depth was 300 m. These results indicated that we should set appropriate CBL depths in addition to horizontal wind speeds and sensible heat fluxes to generate desired and scalable turbulences based on the PG chart.