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Assessment of the Precision of Spectral Model Turbulence Analysis Techniques Using Direct Numerical Simulation Data

Strelnikov, Boris und Rapp, Markus und Fritts, David C. und Wang, L. (2022) Assessment of the Precision of Spectral Model Turbulence Analysis Techniques Using Direct Numerical Simulation Data. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127 (4), Seiten 1-23. Wiley. doi: 10.1029/2021JD035516. ISSN 2169-897X.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.1029/2021JD035516

Kurzfassung

The spectral model turbulence analysis technique is widely used to derive kinetic energy dissipation rates of turbulent structures (ɛ) from different in situ measurements in the Earth's atmosphere. The essence of this method is to fit a model spectrum to measured spectra of velocity or scalar quantity fluctuations and thereby to derive ɛ only from wavenumber dependence of turbulence spectra. Owing to the simplicity of spectral model of Heisenberg (1948), https://doi.org/10.1007/bf01668899 its application dominates in the literature. Making use of direct numerical simulations which are able to resolve turbulence spectra down to the smallest scales in dissipation range, we advance the spectral model technique by quantifying uncertainties for two spectral models, the Heisenberg (1948), https://doi.org/10.1007/bf01668899 and the Tatarskii (1971) model, depending on (a) resolution of measurements, (b) stage of turbulence evolution, (c) model used. We show that the model of Tatarskii (1971) can yield more accurate results and reveals higher sensitivity to the lowest ɛ-values. This study shows that the spectral model technique can reliably derive ɛ if measured spectra only resolve half-decade of power change within the viscous (viscous-convective) subrange. In summary, we give some practical recommendations on how to derive the most precise and detailed turbulence dissipation field from in situ measurements depending on their quality. We also supply program code of the spectral models used in this study in Python, IDL, and Matlab.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/187812/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Assessment of the Precision of Spectral Model Turbulence Analysis Techniques Using Direct Numerical Simulation Data
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Strelnikov, BorisLeibniz-Inst. für Atmosphärenphysik, Univ. Rostock, KühlungsbornNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rapp, MarkusDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-1508-5900NICHT SPEZIFIZIERT
Fritts, David C.GATS Inc., Boulder, CO, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wang, L.GATS Inc., Boulder, CO, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Erschienen in:Journal of Geophysical Research: Atmospheres
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:127
DOI:10.1029/2021JD035516
Seitenbereich:Seiten 1-23
Verlag:Wiley
ISSN:2169-897X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:spectral model turbulence analysis techniques, turbulent kinetic energy dissipation rate, direct numerical simulation, Heisenberg model, Tatarskii model
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
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DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Mittlere Atmosphäre
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre
Hinterlegt von: Ziegele, Brigitte
Hinterlegt am:09 Aug 2022 08:14
Letzte Änderung:28 Feb 2023 14:55

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