Un cierre de longitud de mezcla generalizado para esquemas de flujo de masa de difusividad eddy en turbulencia y convección

Resumen Debido a su resolución espacial limitada, los modelos numéricos de predicción del tiempo y clima deben confiar en parametrizaciones para representar la turbulencia y convección atmosféricas. Históricamente, se han utilizado enfoques mayormente independientes para representar la turbulencia de la capa límite y la convección, desestimando interacciones importantes a escalas subrejilla. Aquí nos basamos en un esquema de flujo de masa de difusividad eddy (EDMF) que representa toda la mezcla a escala subrejilla de manera unificada, particionando las fluctuaciones a escala subrejilla en contribuciones de mezcla difusiva local y estructuras advectivas coherentes, permitiendo que interactúen dentro de un solo marco. El esquema EDMF requiere cierres para la interacción entre el entorno turbulento y los flujos y para la mezcla local. Una ecuación de segundo orden para la energía cinética turbulenta (TKE) proporciona un ingrediente para el cierre de mezcla local difusiva, dejando una longitud de mezcla que debe ser parametrizada. Aquí, proponemos una nueva formulación de longitud de mezcla, basada en restricciones derivadas del balance de TKE. Expresa la mezcla local en términos de los mismos procesos físicos en todos los regímenes del flujo de la capa límite. La formulación se prueba en una variedad de resoluciones y en un amplio rango de regímenes de capa límite, incluyendo una capa límite estratificada de manera estable, una capa límite marina con estratocúmulos en la parte superior y convección seca. La comparación con simulaciones de grandes remolinos (LES) muestra que el esquema EDMF con esta parametrización de mezcla difusiva captura con precisión la estructura de la capa límite y las nubes en todos los casos considerados.