On Aspects of Large-Eddy Simulation Validation for Near-Surface Atmospheric Flows

Abstract

The availability of suitable and reliable reference data together with the application of model-specific comparison methods are the essential ingredients to establish confidence in the capabilities of a numerical model and to truly assess its strengths and limitations. This thesis is motivated by the striking lack of proportion between the increasing use of large-eddy simulation (LES) as a standard modeling technique in micro-meteorological research as opposed to the level of scrutiny that is commonly applied to the quality of the generated numerical predictions.

With this study, I suggest and apply a novel validation strategy for LES consisting of a multi-level hierarchy of comparative analysis methods. Unlike standard LES validation procedures that are based on the comparison of low-order statistical moments, the new approach advocated here specifically aims at the time-dependent nature of the problem. The sequence in which statistical quantities are compared mirrors the increase of information provided by the analysis methods. The target area is turbulent flow in the near-surface atmospheric boundary layer. The test scenario for the validation approach is urban flow in the city of Hamburg, Germany. Qualified reference data are generated in the boundary-layer wind tunnel facility at the University of Hamburg through high-resolution flow measurements in a scale-reduced model. Fine-meshed numerical simulations are conducted at the U.S. Naval Research Laboratory in Washington, D.C., with implicit LES.

On the basis of an initial exploratory data analysis of mean flow and turbulence statistics, a high level of agreement between simulation and experiment is apparent. Inspecting frequency distributions of the underlying instantaneous data, however, proves to be necessary for a more rigorous assessment of the overall prediction quality. From histograms, local accuracy limitations caused by under-resolution as well as particular strengths of the model to capture complex urban flow features are readily determined. Further crucial information about the physical validity of the LES need to be obtained from eddy statistics. Comparisons of temporal autocorrelations, integral time scales, and auto-spectral energy densities show that the simulation reliably reproduces statistical characteristics of the energy and flux-carrying roughness sublayer structures. At higher elevations, however, inflow generation artifacts are reflected in dubiously short fluctuation time scales and energy peaks that are dislocated toward high frequencies. With the comparison of scale-dependent flow statistics, to which the preceding diagnostics have been blind, the emphasis eventually shifts to structure identification. The quadrant analysis of the vertical turbulent momentum flux discloses strong similarities between ejection-sweep patterns and the occurrence of rare, but extreme, flux events in roof-level vicinity and above the canopy layer. Further scale-wise comparisons of wavelet-coefficient frequency distributions and associated high-order statistics reveal consistent location-dependent intermittency patterns induced by eddies in the energy-production range.

Compared with usual methods that rely on single figures of merit, the detailed, multi-level validation strategy presented in this thesis allows to draw more wide-ranging and tenable conclusions about the quality of the simulation and to specify the model’s fitness for purpose in greater detail. The proposed validation concept has the potential to be used as a starting point for community-wide activities aiming at the formulation and harmonization of best-practice standards for the quality assurance of micro-meteorological eddy-resolving simulations.

Die Verfügbarkeit geeigneter und verlässlicher Referenzdaten sowie der Einsatz modell-spezifischer Vergleichsmethoden sind essenzielle Bestandteile einer eingehenden Qualitätsprüfung numerischer Modelle. Die Motivation der vorliegenden Arbeit beruht auf der erkennbaren Diskrepanz zwischen der zunehmenden Anwendung der sogenannten Grobstruktursimulation (engl.: large-eddy simulation, LES) auf mikro-meteorologische Fragestellungen und dem oftmals geringen Nachdruck, mit dem die Qualität der dabei erzielten Prognosen kritisch hinterfragt wird.

In dieser Studie entwerfe und erprobe ich einen neuen Ansatz zur differenzierten LES-Validierung, bestehend aus einer mehrstufigen Abfolge vergleichender Analysemethoden. Im Gegensatz zu in der Praxis gängigen Verfahren, die auf den Vergleich rein mittelwert-basierter Größen abzielen, ist das hier vorgestellte Validierungskonzept insbesondere auf den zeitabhängigen Charakter der LES abgestimmt. Die Reihenfolge, in der die jeweiligen Vergleichsanalysen durchlaufen werden, spiegelt dabei deren anwachsenden informativen Gehalt wider. Turbulente Strömungsfelder der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht sind das Zielgebiet der Studie. Der Testfall zur Erprobung des neuen Validierungsansatzes ist urbane Turbulenz in der Hansestadt Hamburg. Hierfür werden qualifizierte Referenzdaten aus hochauflösenden Strömungsmessungen in einem maßstäblich verkleinerten Stadtmodell im Grenzschichtwindkanal-Labor der Universität Hamburg gewonnen. Hochaufgelöste numerische Strömungssimulationen, basierend auf impliziter LES, werden am U.S. Naval Research Laboratory in Washington, D.C., durchgeführt.

Der einleitende klassische Vergleich mittlerer Strömungs- und Turbulenzgrößen deutet auf ein hohes Maß an Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment hin. Als notwendig für eine eindeutigere Einschätzung der Simulationsqualität erweist sich allerdings die Untersuchung von Häufigkeitsverteilungen der zugrundeliegenden Instantanwerte. Sowohl Einschränkungen der Modellgüte durch das gewählte Gitter als auch besondere Stärken der LES bei der Reproduktion komplexer urbaner Strömungsmuster lassen sich hier erkennen. Zusätzlich werden wesentliche Informationen über den physikalischen Gehalt der Simulation aus Wirbelstatistiken erschlossen. Durch den Vergleich zeitlicher Autokorrelationen, integraler Zeitskalen und turbulenter Energiedichtespektren zeigt sich, dass elementare statistische Charakteristiken der großskaligen, energiereichen Wirbel innerhalb der urbanen Rauhigkeitsschicht verlässlich wiedergegeben werden. In größeren Höhen führen Artefakte der Einstrombedingungen allerdings zu unrealistisch kurzen Fluktuationszeiten und hochfrequenten Energiedichtemaxima. Schließlich verlagert sich die Validierung auf den Bereich der Strukturerkennung, die durch skalenabhängige Analysen Einblicke in die raumzeitliche Struktur der Strömung erlaubt. Quadrantanalysen des vertikalen turbulenten Impulsflusses zeigen in diesem Zusammenhang weitgehende Übereinstimmungen dominanter ejection-sweep Muster sowie des Auftretens seltener, aber intensiver Impulsfluss-Episoden oberhalb der Hindernisschicht. Zudem belegen Häufigkeitsverteilungen experimenteller und numerischer Wavelet-Koeffizienten die qualitative Kongruenz ortsabhängiger Intermittenzmuster der dominanten Wirbelstrukturen.

Im Vergleich zu etablierten Methoden, die auf eindimensionalen Bewertungsmaßstäben basieren, ermöglicht das hier entworfene Validierungskonzept weitreichendere Aussagen zur Simulationsgüte und erlaubt somit, belastbarere Rückschlüsse über die Eignung des Modells für seinen Einsatzzweck zu ziehen. Der Validierungsansatz kann somit auch als Ausgangspunkt interdisziplinärer Aktivitäten zur Etablierung und Harmonisierung umfassender Qualitätssicherungsstandards für wirbelauflösende mikro-meteorologische Modelle dienen.