大气湍流基础汇总
大气湍流(1)
大气湍流1. 引言大气湍流是指大气运动中的混乱和不规则的流动现象。
它是大气中能量、质量和动量交换的主要机制之一，对于气象学、空气污染、飞行器设计等领域具有重要意义。
本文将介绍大气湍流的定义、形成机制以及其在气象学领域的应用。
2. 定义大气湍流是指大气中的流体运动过程中发生的无序、不规则和混乱的现象。
与稳定流动相比，湍流流动具有高频振荡、高强度涡旋以及较强的空间和时间变化特征。
湍流流动常常伴随着体积的扩散和质量的混合，是大气中能量和质量交换的重要机制之一。
3. 形成机制湍流流动是由于大气中流体的不均匀加热和不均匀地转化为动能所引起的。
当大气中的温度、湿度或风速等参数存在不均匀性时，会导致流体的密度、压力和速度的不连续分布，从而产生湍流现象。
湍流的形成机制主要包括两条路径：湍流能量级联和逐级能量耗散。
湍流能量级联是指湍流在不同空间尺度上的能量转移过程。
能量从大尺度的湍流运动逐渐转移到小尺度的湍流运动中，直至最终以分子热传导方式耗散。
这种能量级联过程称为能量级联般克努森级联。
逐级能量耗散是指湍流在形成和维持的过程中，由于粘滞力的作用而逐渐耗散的能量。
粘滞力使流体分子之间相互摩擦，产生阻力，从而将动能转化为分子热能。
逐级能量耗散也称为耗散级联。
4. 大气湍流的特征大气湍流具有以下几个主要特征：•非线性：大气湍流是非线性的流动现象，其运动方程由非线性项支配。
这种非线性性质使得湍流流动难以精确预测和描述。
•随机性：大气湍流具有随机性，即其运动是随机变化的。
湍流运动在时间和空间上都具有不规则和不可预知的特征。
•多尺度性：大气湍流涉及到多种空间尺度的运动。
湍流的能量从大尺度逐渐转移到小尺度，形成多个不同尺度的涡旋结构。
•扩散性：大气湍流具有扩散特性，即湍流能够使不同物质之间的质量发生混合和扩散。
这种扩散性是大气中质量交换的重要机制之一。
5. 大气湍流的应用5.1. 气象学在气象学中，大气湍流是一个重要的研究课题。
大气湍流
湍流条件
大气湍流的发生需具备一定的动力 学和热力学条件： 学和热力学条件：其动力学条件是空气 层中具有明显的风速切变； 层中具有明显的风速切变；热力学条件 是空气层必须具有一定的不稳定度， 是空气层必须具有一定的不稳定度，其 中最有利的条件是上层空气温度低于下 层的对流条件，在风速切变较强时， 层的对流条件，在风速切变较强时，上 层气温略高于下层， 层气温略高于下层，仍可能存在较弱的 大气湍流。理论研究认为， 大气湍流。理论研究认为，大 大气湍 流气湍流运动是由各种尺度的涡旋连续 分布叠加而成。 分布叠加而成。其中大尺度涡旋的能量 来自平均运动的动量和浮力对流的能量； 来自平均运动的动量和浮力对流的能量； 中间尺度的涡旋能量， 中间尺度的涡旋能量，则保持着从上一 级大涡旋往下一级小涡旋传送能量的关 在涡旋尺度更小的范围里， 系；在涡旋尺度更小的范围里，能量的 损耗起到了主要的作用， 损耗起到了主要的作用，因而湍流涡旋 具有一定的最小尺度。在大气边界层内， 具有一定的最小尺度。在大气边界层内， 可观测分析到最大尺度涡旋约为 1千米 千米 到数百米；而最小尺度约为1毫米 毫米。 到数百米；而最小尺度约为 毫米。
4.尺度普与能量谱 尺度普与能量谱
（1）尺度谱 尺度谱 大气湍流有很宽的尺度谱。公认的大气湍流尺度（时间尺 度从0.001～0.1小时），跨越了三个量级,如果把日变化（能量 峰值在10小时附近）和天气系统的变化（能量峰值在 100小时 附近）考虑在内，则谱区将更宽。 大气湍流在三个方向（顺风、横风和铅直方向）的尺度和 强度都不同，说明它是非各向同性的。在一般情况下，它的铅 直分量比水平方向的两个分量都小。在大气边界层中，湍流主 要受地面的状态限制。在晴空湍流区里，湍流区本身的铅直范 围（几十米到几百米）总是小于水平范围（几公里到几十公 里）。在对流云内， 情况可能不同， 一块发展旺盛的浓积云 （见云）,铅直厚度往往超过它的水平范围,铅直脉动速度有时高 达每秒几米，这方面仍缺乏系统观测的结果。大气湍流的非各 向同性还表现在湍流扩散系数的数值上。从强稳定层结到不稳 定层结，铅直湍流扩散系数的数值为2×10～10米/秒，横向湍 流扩散系数则为 10～10米/秒。
大气层中的湍流现象
1.引言湍流是大气层中普遍存在的一种现象，它是由于不同速度、密度和温度的空气相互作用而引起的。
湍流现象在大气科学和气象学中具有重要的研究意义，对于了解大气运动、气候变化以及预测天气等方面都有着重要的影响。
2.湍流的定义湍流可以被定义为一种不规则的、无序的流动状态，其中的气流速度和方向随时间和空间的变化而发生突然的、随机的波动。
与湍流相对的是层流，层流是指气流以规则的、有序的方式流动。
湍流现象在大气层中广泛存在，从微观到宏观尺度都能观察到。
3.湍流的形成原因湍流的形成主要受到以下几个因素的影响：3.1.不均匀性：大气层中存在着各种不均匀性，比如地表的地形起伏、不同区域的温度差异和气压梯度等。
这些不均匀性会导致气流的速度和方向发生变化，从而引发湍流现象。
3.2.惯性：空气具有质量和惯性，当气流受到外力的作用时，会产生惯性力。
惯性力对气流的速度和方向产生影响，促使气流发生湍流运动。
3.3.粘性：空气具有一定的粘性，当气流经过不同介质或物体表面时，会受到粘性力的作用。
粘性力会使气流发生湍流现象，并形成涡旋结构。
4.湍流的特征湍流的主要特征包括速度波动、能量分布的不均匀性和尺度层次的多样性。
4.1.速度波动：湍流中的气流速度会随时间和空间的变化而发生快速而不规则的波动。
这种速度波动导致了湍流的无序性和难以预测性。
4.2.能量分布的不均匀性：湍流中的能量分布非常不均匀，大部分的能量集中在较小的空间范围内。
这种不均匀性使得湍流的能量传递和分布变得复杂且难以解析。
4.3.尺度层次的多样性：湍流现象在不同尺度上都能观察到，从微观的涡旋结构到宏观的大气环流系统都存在湍流现象。
这种多样性使得湍流的研究变得复杂且具有挑战性。
5.湍流的影响湍流现象对大气运动和气象学有着重要的影响。
5.1.大气运动：湍流是大气层中能量和质量传递的重要机制之一。
它通过混合和扩散作用，导致气流速度和方向的变化，进而影响大气的运动和循环。
5.2.气候变化：湍流现象对气候变化有着重要的影响。
大气湍流机理及其模拟
大气湍流机理及其模拟对于大气系统来说，湍流是一个非常重要的现象，它存在于大气中的许多过程中，如边界层的形成、天气系统的演变等。
湍流丰富了大气的物理现象，但同时也增加了对大气的模拟和预测的难度。
本文将介绍大气湍流的机理和模拟方法。
一、湍流的机理湍流的起因是流体在过程中受到扰动，这些扰动会引起流体的速度、密度等物理量发生变化。
在湍流发展的过程中，流体速度的各向异性和空间的不规则性增大，流体中的大尺度涡旋逐渐分裂成小尺度涡旋，这些小尺度涡旋不断转化能量，最终会被湍流耗散。
湍流的机理非常复杂，目前还没有完全解决。
基于大气湍流机理的研究，可以分为两个方向：传统的湍流建模和基于数据的机器学习方法。
传统湍流建模主要是基于质量、动量和能量守恒等定律，结合统计理论和实验数据，来建立起湍流的物理模型。
而基于数据的机器学习方法，是利用机器学习算法对海量数据进行分析，从而发现湍流的统计规律。
二、湍流的模拟方法湍流模拟的方法有很多，如数值模拟方法、直接数值模拟方法、大涡模拟方法等。
其中，数值模拟方法是目前使用最广泛的湍流模拟方法，主要分为Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS）和雷诺平均Navier-Stokes方程（LES）两类。
RANS方程是基于湍流平均的模型，将流场分解为平均流和湍流脉动，其中平均流体现了湍流的空间分布，湍流脉动则描述了湍流的时间变化。
RANS方程通过假设某些量在湍流平均后不变，来减少不可控因素的影响，从而简化了计算。
但是，由于RANS方程是基于平均流假设的，所以不能准确地模拟湍流的涡旋结构和流体运动过程。
LES方法是一种基于大涡模拟的方法，通过求解Navier-Stokes方程的高频分量，来描述湍流的小尺度结构和动态特征。
由于LES方法可以解决湍流脉动的时间变化，所以能够更精确地模拟湍流的涡旋结构和流体运动过程。
三、结论综上所述，湍流现象是大气系统的一个重要现象，对于天气系统的演变和边界层的形成有着巨大的影响。
不同天气条件下大气湍流的变化规律
不同天气条件下大气湍流的变化规律大气湍流是指大气中的气流处于一种不规则的混合状态，具有多尺度、多层次和多样化的复杂性。
不同天气条件下，大气湍流的变化规律也会有所不同。
本文将从不同天气条件下的大气湍流生成与演化、湍流影响因素以及湍流预测等方面进行讨论。
首先，不同天气条件下的大气湍流生成与演化存在一定的差异。
在晴朗无风的天气条件下，大气湍流主要受到地面热辐射和对流层中的垂直梯度力的影响。
由于地面受到太阳辐射的加热，产生的热空气会上升形成对流，同时也会形成不规则的湍流涡旋。
当风速逐渐增大时，地表摩擦力会明显影响湍流的生成和演化。
此时，湍流主要受到惯性力和摩擦力的共同作用，湍流会体现出高度的非线性特征，出现更多的旋涡结构。
其次，湍流的影响因素也会因不同的天气条件而有所不同。
在高温、高湿度的夏季天气条件下，由于大气热量的充分蓄积和释放，大气湍流比较活跃。
此时，太阳辐射的加热以及水汽的蒸发会导致对流层中的气流上升速度增加，形成更多的湍流涡旋。
而在寒冷、干燥的冬季天气条件下，大气湍流活动相对较弱。
冬季的高压系统和稳定的边界层结构会抑制湍流的生成，使得空气层间的动量传递减弱，从而减小湍流涡旋的数量和大小。
此外，湍流的预测也是研究的重点之一。
准确地预测湍流的生成和演化对于气象学、空气质量预报以及飞行安全等领域有着重要的意义。
目前，湍流预测主要基于数值模拟和统计学方法。
数值模拟方法通过对大气湍流的物理过程建模进行数值计算，可以模拟不同天气条件下的湍流特征。
而统计学方法则通过分析历史观测数据，建立统计模型来预测湍流。
然而，湍流的非线性和多尺度特征使得准确预测湍流仍然具有挑战性。
总结起来，不同天气条件下大气湍流的变化规律是一个复杂而多样化的问题。
湍流生成与演化受到地面热辐射、垂直梯度力、摩擦力等因素的影响。
湍流的影响因素也会因为季节和气候条件的不同而有所变化。
湍流的预测涉及到数值模拟和统计学方法的研究。
虽然湍流的研究和预测存在一定的挑战性，但是对于提高气象预报准确性和保障航空安全等领域具有重要的实际应用价值。
大气湍流扩散模型及应用研究
大气湍流扩散模型及应用研究引言：大气湍流扩散模型是大气环境科学研究中的重要工具之一，能够模拟大气中颗粒物、污染物等的扩散传播过程，为环境保护、灾害防范等领域提供科学依据。
本文将从湍流基础知识、模型原理以及应用研究等方面进行探讨。
一、湍流基础知识：湍流是在流体运动过程中出现的不规则流动现象。
它的存在使得扩散过程更加复杂，同时也增加了我们研究和预测大气污染传播的难度。
湍流的骚乱程度通常由雷诺数来描述，雷诺数越大，湍流现象就越显著。
在湍流扩散模型中，我们需要考虑湍流弥散系数，它描述了湍流扩散和分散的程度。
湍流弥散系数受到风速、地表粗糙度、植被覆盖等因素的影响。
了解湍流基础知识对于后续模型应用和研究至关重要。
二、大气湍流扩散模型原理：大气湍流扩散模型主要基于运动方程、传输方程和仿真技术等原理，模拟大气中各种污染物的传输和扩散过程。
其中，对湍流的描述往往采用雷诺平均Navier-Stokes方程组或雷诺平均对流扩散运输方程。
在模型中，我们还需要考虑气象场、地形地貌、排放源等因素的影响。
通过数值模拟和仿真技术，可以预测不同条件下大气污染物的传播范围和浓度分布，为环境管理和灾害预防提供科学依据。
三、大气湍流扩散模型应用研究：1.环境影响评价：湍流扩散模型在环境影响评价中具有重要作用。
通过模拟不同工业、城市发展项目对大气污染物扩散的影响，可以有效评估项目对周边环境的影响程度，为环境审批和决策提供科学依据。
2.灾害防范：大气湍流扩散模型在灾害防范中有广泛应用。
比如在核事故、化学泄漏等突发环境事件中，利用湍流模型可以预测污染物的传播路径和范围，及早采取措施保护人民生命财产安全。
3.空气质量监测：利用湍流扩散模型可以实时监测和预测城市空气质量。
通过结合大气污染物的排放数据和气象场数据，模拟预测不同天气条件下的空气质量状况，提醒公众注意健康与环境保护。
4.环境规划优化：湍流扩散模型可以指导城市和地区环境规划的优化。
通过模拟评估不同规划方案的环境效应，可以选择最合适的规划方案，减少污染物排放和环境影响。
大气吸收与湍流基础的总结
一、激光大气衰减基础：激光大气衰减包括大气气体分子对激光的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射，激光信号通过均匀大大气介质之后，其电磁辐射强度满足:比尔-郎伯-布格定律：;:为波数，I()为信号传输l距离之后的电磁辐射强度，代表消光系数，为进入介质前的光辐射能量。
透过率函数：;其中，也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，既包括了大气分子的吸收（）和散射()系数，也包括了气溶胶的吸收和散射()系数：在实际的大气信道中，随着高度(z)的变化（假设大气具有分层均匀特性），即可以表示为，,当信号光以天顶角入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：（，）其中，其他的消光系数表如附图所示：大气分子吸收效应的从测量：二、大气光学湍流：1、大气湍流模型的描述：均匀各向同性湍流、非均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流(是一种理想化的大气湍流模型，在复杂地形区和高空，对流层以上的区域，满足该理论条件的大气湍流区域有限，特别是近年来对大气湍流间歇性现象的发现，更证明了Kolmogorov模型应用的局限性。
目前工程中常需要借助大量的实验观测数据对该模型进行修正。
)查理森级串模型：湍流可以视作由气体流动形成的差别较大的涡旋，大涡旋不稳定，其从外界获取能量后，通过分裂等一系列复杂的运动将能量传递给次级涡旋，最后再最小的涡旋中通过气体黏性损耗。
在一定的区域内，涡旋级串达到某种平衡状态，形成局部均匀各向同性湍流，具有普适性的统计规律。
为了确定气体湍流的统计规律，基于不同的假设条件，提出了许多统计模型，其中使用最广泛的为柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型： 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型：模型假设：（1） 当雷诺数足够大时，存在具有各向同性结构的高波数区，在该区里，气体运动的统计特征只决定于流体的黏性系数 和能量耗散率 。
（雷诺数：雷诺数的定义为：L 为气体运动的尺度，v 为流体速度， 为分子）基于上述假设，建立起了湍流长度( 、 )、速度、时间的尺度，其中， 、 分别为湍流的内尺度和外尺度；;（2） 当雷诺数足够大时，扰动统计特征只依赖于扰动能量的耗散率 ，此惯性区域的尺度 满足:柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型的特征参数：随机场的空间统计特性通常用结构函数等相关函数关系描述，包括风速结构率函数、折射率结构函数等，由于在湍流效应的研究中，主要考虑大气折射率起伏对光传输的影响，故又称为大气光湍流。
大气边界层中的湍流湍脉动分析
大气边界层中的湍流湍脉动分析大气边界层是指地球表面与自由大气之间的层，是气象学、气候学、大气物理学以及环境科学中的重要研究领域。
湍流是大气边界层中普遍存在的现象，湍脉动则是湍流中的重要特征之一。
本文将对大气边界层中的湍流湍脉动进行分析。
一、湍流的定义与特征湍流是指在流体运动中，流速和流向瞬间发生变化的现象。
湍流的特征主要包括不规则、混乱、高度非线性以及能量传递等方面。
在大气边界层中，湍流是由于地表不均匀加热、风扰动等因素引起的。
二、湍流湍脉动的观测与研究方法为了研究大气边界层中的湍流湍脉动，科学家采用了多种观测和研究方法。
其中，常用的方法包括气象探空、风廓线雷达、气象浮标、风能测量塔以及高空探空等。
通过这些方法，我们可以获取湍流湍脉动的数据，进行分析和研究。
三、湍流湍脉动的数学模型湍流湍脉动的数学模型是研究湍流湍脉动行为的重要工具。
在大气边界层中，常用的湍流湍脉动模型包括雷诺平均N-S方程、湍流能量方程以及湍流统计方程等。
这些模型能够描述湍流湍脉动的分布和演化规律，对于预测和模拟大气边界层的湍流湍脉动具有重要意义。
四、湍流湍脉动的影响与应用湍流湍脉动在大气边界层中起着重要的作用，它们对于大气的传输、混合以及能量转换等过程有着直接和重要的影响。
此外，湍流湍脉动还与气候变化、风能利用、空气污染等问题密切相关。
因此，了解湍流湍脉动的特性和行为对于气象学和环境科学等学科的研究具有重要的意义。
五、湍流湍脉动的挑战与未来展望尽管湍流湍脉动的研究已取得了一定的进展，但仍存在许多挑战。
例如，湍流湍脉动的模拟和预测仍然存在不确定性，观测和测量方法也需要进一步改进和完善。
未来，我们可以继续深入研究湍流湍脉动的机制和特性，开展更多的观测和实验，并利用先进的数值模拟方法来解决湍流湍脉动相关的问题。
总结：大气边界层中的湍流湍脉动是气象学和大气物理学中的重要研究领域。
湍流湍脉动的观测和研究方法丰富多样，数学模型能够描述湍流湍脉动的行为和特性。
大气湍流的定义
大气湍流的定义一、什么是大气湍流？大气湍流是指大气中存在的一种流动状态，它具有随机性、不可预测性和混沌性。
在大气中，湍流主要表现为气体流动的三个特征：不规则、涡旋和能量传递。
在自然界中，湍流广泛存在于大气运动中，也是气象学中研究的一个重要课题。
二、湍流的形成原因湍流的形成涉及多种因素，主要包括不均匀度、非线性和能量转换等。
大气湍流的形成主要受到以下几个因素的影响：1.地球表面的地形不规则性：地球表面的不均匀性会导致大气运动的不规则性，进而形成湍流。
2.大气运动的非线性特征：大气运动本身具有非线性特征，会导致流动的不稳定性，进而形成湍流。
3.能量传递和耗散：湍流中的能量传递和耗散是湍流形成的重要原因。
大气中能量的传递和耗散过程会导致湍流的形成和发展。
三、大气湍流的特征大气湍流具有以下几个特征：1.不规则性：湍流流场的形态不规则，无法通过简单的规律来描述。
湍流中存在着各种大小的涡旋，其形态复杂多样。
2.涡旋性：湍流主要表现为涡旋的存在。
涡旋是湍流的基本结构单元，其大小和形态各异。
3.能量级联：湍流中的能量传递存在级联现象，即能量从大尺度的涡旋传递到小尺度的涡旋，形成不同尺度的湍流结构。
4.能量耗散：湍流中的能量会通过摩擦和粘滞耗散，最终转化为热能而消失。
四、湍流的研究方法湍流的研究方法包括实验观测、数值模拟和理论分析等多种方法。
1.实验观测：通过在大气中放置观测设备，如气象雷达、探空仪等，对湍流进行实时观测和记录。
这种方法可以直接获取湍流的实际数据，但观测范围和精度受到一定的限制。
2.数值模拟：利用计算机和数值模型，对湍流进行仿真模拟。
数值模拟可以模拟出各种湍流条件下的流场情况，提供湍流的详细信息，但对计算资源和模型精度要求较高。
3.理论分析：通过建立湍流的数学模型，利用数学方法对湍流进行分析和求解。
理论分析方法可以从基本方程出发，推导湍流的统计规律和性质，但对湍流的简化假设和逼近方法较多。
五、大气湍流的应用大气湍流在气象学、空气污染控制、风电等领域具有重要应用价值。
大气边界层湍流基础
分析模型对不同参数的敏感性，了解模型的不确定性来源。
交叉验证
使用不同的数据集对模型进行验证，确保模型的泛化能力。
05
大气边界层湍流的影响与应用
气候变化与湍流的关系
1
气候变化对大气边界层湍流有重要影响，包括温 度、湿度、风速和风向的变化，这些变化进一步 影响湍流的形成和演变。
2
气候变化对大气边界层湍流的影响机制复杂，涉 及多种物理过程，如温度逆层、混合层发展、对 流和边界层稳定性等。
02
湍流中的涡旋运动具有自相似性和各态遍历性，这些特性有助
于理解湍流的产生和演化机制。
湍流中的能量传递具有层次性，从大尺度到小尺度，不同尺度
03
的涡旋之间相互作用和影响。
03
大气边界层湍流的形成机制
湍流的形成条件
风速的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变
当气流经过地形、建筑物或其它障碍物时，风速会发生变化，形 成速度梯度，这是湍流形成的基本条件之一。
深入研究湍流对气候变化的影响机制，以及气候变化对湍流的反馈作用，有助于 更准确地预测气候变化趋势和影响。
展望
通过建立更精细的湍流模型，结合观测数据和气候模式，提高对气候变化和湍流 相互作用的认知水平。
大气边界层湍流在其他领域的应用前景
能源与环境
湍流在能源转换和污染物扩散中具有 重要影响，通过研究湍流机制，有助 于提高能源利用效率和环境保护水平。
这种能量传递过程是湍流维持的重要机制之一。
03
能量耗散
在湍流中，能量最终以热能的形式被耗散掉。这种能量耗散过程是湍流
得以维持的必要条件之一，因为它确保了湍流的能量不会无限增长。
04
大气边界层湍流的观测与模拟
第二章大气边界层湍流基础
两种研究方法
解湍流运动控制方程（平均运动方 程、脉动方程、湍能方程…..）
采用随机过程的统计学方法来反映 大气湍流结构
第一节 平均场与湍流场
大气运动包含各种尺度的运动 不同尺度的运动具有不同的运动特征 尺度分离，从而分析不同尺度运动的特征 大气边界层湍流运动－微尺度气象问题
午后实测风速迹线：风速的随机性；并不是完全随机，平 均风速由6m/s减弱到5m/s；风速在垂直方向上的变化拘于 有限的范围内，前面瞬时风速与平均风速相差1m/s，后面 大概相差0.5m/s。
二 谱的“泄露”和“折迭”（“混迭”）
离散采样两种误差
(1)采样时段泄露效应 (2)采样间隔混迭效应
(1)在有限时段上采样，谱S(n) 被修改成ST(n)：
ST (n)
S( f ) sin T (n f ) df
(n f )
修改后的谱ST(n)中带有虚假的高频成份 T 越大， ST(n) 越接近真实谱S(n) T 越小，泄露影响越大, ST(n)与S(n)之间的差别越大
( Ai
i0
A)2
较好估计
当 N>>1，两者之间的差别很小
湍流变量的湍流部分： A' A A
2 A
1 N
N 1
( Ai
i0
A)2
A '2
湍流量 ： u2 v2 w2 2 r2 q2 视为方差
2 标准差
标准差定义为方差的平方根：
A A'2
标准差具有与原始变量相同的量纲，表示随机 变量瞬时值相对于平均值的偏离程度 。
A' 0
AB ( A A' )(B B' ) AB A'B AB' A'B'
大气边界层中的湍流输运
大气边界层中的湍流输运大气边界层是指地球表面与大气之间的那一层空间，它是大气运动、湍流输运和能量交换的重要区域。
湍流输运是指在大气边界层中，通过湍流的方式将质量、能量和动量等物质进行混合和输送的过程。
本文将从大气边界层的特征、湍流产生的机制以及湍流输运的影响等方面进行阐述。
一、大气边界层的特征大气边界层是大气圈中最底部的一层，其高度一般在地面到几百到一千米范围内。
大气边界层的特征主要包括以下几个方面：1.温度和湿度逐渐下降：随着高度的增加，大气边界层内的温度和湿度逐渐下降，这是由于地面的辐射和蒸发作用引起的。
2.湍流活动频繁：大气边界层中的风速变化较大，湍流活动频繁，这是导致湍流输运的重要原因之一。
3.垂直混合强烈：由于湍流的存在，大气边界层内的各种物质会进行垂直混合，形成一个相对均匀的物质分布。
二、湍流的产生机制湍流是指在流体中，由于各种不稳定因素的作用，流体发生无规则的旋转和混合的现象。
在大气边界层中，湍流的产生主要与以下几个因素有关：1.地表摩擦力：地表的粗糙度会产生摩擦力，这种摩擦力会使得风向与风速发生变化，从而引起湍流的产生。
2.不稳定的空气层结：当大气层结不稳定时，会引起空气的上升运动，从而使得湍流产生。
3.地形效应：地形的起伏和变化也会对湍流的产生起到一定的影响，如山地、河谷等地形所产生的气流湍流会比平原地区更强烈。
三、湍流输运的影响湍流输运在大气中起着重要的作用，它会对气体、颗粒物、能量等进行有效的混合与传输。
湍流输运的影响主要体现在以下几个方面：1.物质扩散：湍流运动使得大气中的物质能够迅速扩散，提高了物质的混合程度，促进了空气中有害物质的稀释和消除。
2.能量交换：湍流运动可促进大气中能量的交换，从而影响气温的分布和变化，进而影响天气的产生和演变。
3.传输输运：湍流运动可以将大气中的动量、质量等物体进行有效的传输与输送，影响着大气中的空气流动和风速的分布。
总结大气边界层中的湍流输运是大气运动中的重要过程，对大气环境、气象形成和空气污染扩散等都具有重要影响。
大气湍流了解气流的不稳定性和气象条件
大气湍流了解气流的不稳定性和气象条件大气湍流：了解气流的不稳定性和气象条件大气湍流是指在空气中发生的、具有随机性和混合性的运动现象。
它是大气运动的一种重要表现形式，对天气变化、气候系统以及航空飞行等都有着重要影响。
本文将探讨大气湍流的不稳定性及其与气象条件的关系。
I. 湍流的概念及特征大气湍流是指空气在运动时以不规则、混杂的方式进行的运动。
它具有以下几个主要特征：1. 三维性：湍流运动发生在三个空间维度上，其流动方向、速度和强度在空间上具有无规律性的变化。
2. 不规则性：湍流运动不符合线性规律，其运动路径和速度在时间上随机变化，并且具有各种尺度和频率的涨落。
3. 混合性：湍流能够将空气中的质量、能量和其他物理性质进行混合和交换，促进了大规模气象过程的发生。
II. 湍流的不稳定性湍流的不稳定性是指湍流在运动过程中会因为微小扰动的存在而不断增强的特性。
湍流的不稳定性主要体现在以下几个方面：1. 可压缩性：当空气受到压缩时，湍流具有增强的不稳定性。
这是因为压缩会引起气体密度的变化，加剧了湍流运动的扰动和混合效应。
2. 湍流层内梯度不稳定：湍流的不稳定性与大气层内的温度、湿度和密度梯度有密切关系。
当这些梯度变化剧烈时，湍流的不稳定性也会增强。
3. 平流层中的重力波：平流层中存在着大气重力波，它们是由于大气密度的非均匀性引起的。
这些重力波能够导致湍流的发生和增强。
III. 影响湍流的气象条件湍流的发生和发展与大气中的多种气象条件密切相关。
以下是一些主要的影响因素：1. 风切变：风切变是指垂直方向上风速和风向的变化。
风切变具有剧烈的水平和垂直运动，是湍流的重要诱发因素。
2. 不稳定的大气层：大气层内存在温度和湿度的不稳定梯度时，湍流易于发生。
这通常发生在暖锋、冷锋等气象系统附近。
3. 地形效应：地形对湍流的形成和发展起着重要的影响。
当气流经过山脉、峡谷等地形时，会受到地形的阻挡和加速，从而引发湍流现象。
4. 太阳辐射和地面热力影响：太阳辐射和地面热力是引发地表温度差异的重要原因。
大气湍流的定义
大气湍流的定义大气湍流的定义一、概述大气湍流是指在大气中发生的不规则、紊乱的运动，它是大气中流体运动的一种特殊形式。
由于大气中存在着各种不同尺度的扰动，因此在某些情况下，流体运动会变得十分复杂，产生各种不规则的涡旋和湍流。
这些湍流现象对于气象、空气质量、飞行安全等方面都有着重要影响。
二、产生机制大气湍流产生的机制非常复杂，主要包括以下几个方面：1. 不均匀性：由于地球表面及其周围环境存在着各种不同尺度的不均匀性，如山脉、海洋等，这些不均匀性会引起空气质量和温度等方面的差异，从而导致空气产生很强烈的对流。
2. 摩擦：空气与地面之间存在摩擦力，在地表附近会形成较强烈的涡旋和湍流。
3. 外界扰动：外界自然界因素如风、雷暴等也能够引起大气湍流。
三、特征大气湍流的特征主要包括以下几个方面：1. 不规则性：大气湍流运动是不规则、紊乱的，无法预测其具体的路径和强度。
2. 多尺度性：大气中存在着各种不同尺度的扰动，从微观到宏观都有可能产生湍流。
3. 非线性：大气湍流运动是非线性的，即当扰动变强时，其响应不会像线性系统那样呈现出简单的比例关系。
4. 随机性：由于大气中存在着各种随机因素，如风速、温度等随时都在发生变化，因此大气湍流运动也具有一定的随机性。
四、影响大气湍流对于人类生活和经济发展都有着重要影响：1. 气象：大气湍流对于天气预报和空气质量等方面都有着重要影响。
例如，在空气污染较为严重的城市中，由于空气质量差异较大，容易产生强烈的对流和涡旋现象，导致污染物难以扩散。
2. 航空：大气湍流对于飞行安全有着重要影响。
在飞机起降和飞行过程中，由于大气湍流的存在，会产生颠簸和抖动等现象，给飞机带来一定的危险。
3. 能源：由于大气湍流具有多尺度性和随机性等特征，因此可以用来产生能量。
例如，在风力发电中，利用大气湍流来带动风轮发电。
五、总结综上所述，大气湍流是指在大气中不规则、紊乱的运动形式。
它产生的机制十分复杂，主要包括不均匀性、摩擦和外界扰动等因素。
最新大气吸收与湍流基础总结
一、激光大气衰减基础：激光大气衰减包括大气气体分子对激光的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射，激光信号通过均匀大大气介质之后，其电磁辐射强度满足:比尔-郎伯-布格定律：;:为波数，I()为信号传输l距离之后的电磁辐射强度，代表消光系数，为进入介质前的光辐射能量。
透过率函数：;其中，也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，既包括了大气分子的吸收（）和散射()系数，也包括了气溶胶的吸收和散射()系数：在实际的大气信道中，随着高度(z)的变化（假设大气具有分层均匀特性），即可以表示为，,当信号光以天顶角入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：（，）其中，其他的消光系数表如附图所示：大气分子吸收效应的从测量：二、大气光学湍流：1、大气湍流模型的描述：均匀各向同性湍流、非均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流(是一种理想化的大气湍流模型，在复杂地形区和高空，对流层以上的区域，满足该理论条件的大气湍流区域有限，特别是近年来对大气湍流间歇性现象的发现，更证明了Kolmogorov模型应用的局限性。
目前工程中常需要借助大量的实验观测数据对该模型进行修正。
)查理森级串模型：湍流可以视作由气体流动形成的差别较大的涡旋，大涡旋不稳定，其从外界获取能量后，通过分裂等一系列复杂的运动将能量传递给次级涡旋，最后再最小的涡旋中通过气体黏性损耗。
在一定的区域内，涡旋级串达到某种平衡状态，形成局部均匀各向同性湍流，具有普适性的统计规律。
为了确定气体湍流的统计规律，基于不同的假设条件，提出了许多统计模型，其中使用最广泛的为柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型： 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型：模型假设：（1） 当雷诺数足够大时，存在具有各向同性结构的高波数区，在该区里，气体运动的统计特征只决定于流体的黏性系数 和能量耗散率 。
（雷诺数：雷诺数的定义为：L 为气体运动的尺度，v 为流体速度， 为分子）基于上述假设，建立起了湍流长度( 、 )、速度、时间的尺度，其中， 、 分别为湍流的内尺度和外尺度；;（2） 当雷诺数足够大时，扰动统计特征只依赖于扰动能量的耗散率 ，此惯性区域的尺度 满足:柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型的特征参数：随机场的空间统计特性通常用结构函数等相关函数关系描述，包括风速结构率函数、折射率结构函数等，由于在湍流效应的研究中，主要考虑大气折射率起伏对光传输的影响，故又称为大气光湍流。
公共基础知识湍流基础知识概述
《湍流基础知识的综合性概述》一、引言湍流是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种复杂流动现象。
从大气中的风云变幻到海洋中的波涛汹涌，从飞机在天空中的飞行到管道中流体的流动，湍流无处不在。
对湍流的研究不仅具有重要的理论意义，还对众多工程领域的发展起着至关重要的作用。
本文将对湍流的基础知识进行全面的阐述与分析，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势。
二、基本概念1. 定义湍流是一种高度复杂的三维非定常流动，其特征是流体的速度、压力等物理量在时间和空间上呈现出随机的、不规则的变化。
与层流相比，湍流具有更高的雷诺数，流体质点的运动更加混乱和无序。
2. 特征（1）随机性：湍流中的流体质点运动具有很大的随机性，速度和压力等物理量的变化无法用确定的函数来描述。
（2）三维性：湍流是三维的流动，在三个方向上都存在着复杂的运动。
（3）非定常性：湍流的流动状态随时间不断变化，具有很强的时间依赖性。
（4）扩散性：湍流能够促进流体中物质和能量的混合与扩散。
3. 雷诺数雷诺数是判断流体流动状态的重要参数。
当雷诺数小于某一临界值时，流体为层流；当雷诺数大于临界值时，流体可能转变为湍流。
雷诺数的计算公式为：$Re=\frac{\rho vL}{\mu}$，其中$\rho$为流体密度，$v$为流体速度，$L$为特征长度，$\mu$为流体动力粘度。
三、核心理论1. 统计理论由于湍流的随机性，统计理论成为研究湍流的重要方法之一。
统计理论通过对湍流中物理量的统计平均来描述湍流的特性，如平均速度、脉动速度、雷诺应力等。
常用的统计方法包括相关分析、谱分析等。
2. 湍流模型为了在工程计算中模拟湍流流动，人们提出了各种湍流模型。
湍流模型主要分为两大类：一类是基于雷诺平均的湍流模型，如$k-\epsilon$模型、$k-\omega$模型等；另一类是大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）。
雷诺平均的湍流模型通过对湍流脉动进行统计平均，将湍流问题转化为求解平均流动方程和湍流模型方程的问题。
大气湍流的形成与扩散
大气湍流的形成与扩散大气湍流是指空气在水平或垂直方向上，速度和方向不断变化的现象。
它是大气中的一种运动模式，对于气候和天气的形成与变化有着重要的影响。
本文将探讨大气湍流形成的原因以及它的扩散机制。
一、大气湍流形成的原因1. 温度差异引起的湍流大气中存在着不同温度的气团。
当冷空气与热空气相遇时，由于密度不同，会产生温度差异引起的湍流。
这种温度差异可能是由地表不同区域的地形、海洋和陆地的交界处以及人类活动引起的。
2. 强风的湍流强风是引起湍流的另一个重要因素。
当大气中存在高速风时，风与障碍物相互作用，会形成湍流。
例如，当风吹过山脉时，会产生山脉波浪，并引发湍流现象。
3. 大气不稳定引起的湍流大气层中的不稳定现象也是湍流形成的原因之一。
当大气中存在温度递减层、湿度递增层以及气压梯度时，会引发湍流。
这种不稳定的大气条件会导致气流上升和下沉，形成湍流。
二、大气湍流的扩散机制1. 对流扩散对流扩散是大气湍流中最为常见的扩散机制之一。
当气团由于温度变化或上升运动而产生湍流时，湍流中的气团会相互混合和扩散。
这种对流扩散是地球上形成云、降水和气候变化的重要机制。
2. 局地扩散局地扩散是指湍流在地表附近的水平扩散现象。
当地表的温度和地表特征存在差异，例如城市和农田的温度差异，会在地表层产生湍流，并通过湍流扩散来均匀化空气的温度和湿度。
3. 垂直扩散垂直扩散是指大气湍流在垂直方向上的扩散现象。
当大气中存在稳定或不稳定的温度层结时，会引起垂直湍流的形成。
这种垂直湍流可以将气体和颗粒物质从地表迅速混合和扩散到大气中。
三、大气湍流的影响与应用1. 气象预报和气候模拟了解大气湍流的形成和扩散机制，对气象预报和气候模拟具有重要意义。
湍流的存在会影响大气中的温度、湿度和风速分布，进而影响天气和气候的变化。
通过对湍流的研究，科学家们可以更好地预测气象灾害和气候变化趋势。
2. 工程建设和能源利用大气湍流对于工程建设和能源利用也有一定的影响。
大气边界层中的湍流结构与特征
大气边界层中的湍流结构与特征在大气边界层中，湍流结构与特征是气象学和气候学中一个重要的研究领域。
湍流是大气层中不规则的气流运动，它对于气候变化、空气污染传输、能量传输和风能等方面都有着重要的影响。
本文将从湍流的定义起源、湍流结构、湍流特征以及湍流模拟方法等方面进行探讨。
一、湍流的定义起源湍流这一概念起源于法国物理学家雷诺（Osborne Reynolds）在19世纪末所做的实验研究。
他发现，当一种流体经过管道或流过某个物体时，流体在局部会出现不规则的波动和回旋现象，这种现象被称为湍流。
湍流是一种具有不规则、无定形的流动状态，其速度变化无法预测，是一种混沌状态。
二、湍流结构湍流的结构是指湍流中存在的各种大小不等的涡旋。
湍流结构的尺度范围非常广泛，从微观尺度的涡旋到宏观尺度的大涡旋，相互作用形成湍流层次结构。
在大气边界层中，湍流结构主要可以分为三个尺度范围：小尺度湍流、中尺度湍流和大尺度湍流。
1. 小尺度湍流：小尺度湍流是指尺寸小于100米的湍流结构，主要由涡旋交替出现和衰减所组成。
这些小尺度湍流结构的产生是由于地面摩擦力的作用和地面不均匀性所引起。
2. 中尺度湍流：中尺度湍流的尺度范围在100米至10千米左右，主要由冷暖气流交替出现的湍流结构所组成。
中尺度湍流在大气环流中起着重要的作用，对于气候表现和气象现象的变化具有一定的影响。
3. 大尺度湍流：大尺度湍流是指尺度大于10千米的湍流结构，通常由中尺度湍流的相互作用和结合所形成。
大尺度湍流在气象学中占据重要地位，它直接影响着大气边界层的热力结构和风场分布。
三、湍流特征湍流具有多种特征，包括二维性、统计性、扩散性和涡旋的结构等。
1. 二维性：在某些特定的条件下，湍流可以表现出二维性，即在一定的平面内运动。
这种情况通常出现在强有力的外部驱动下，例如地壳运动或者外部气流的强烈干扰。
2. 统计性：湍流的运动是不稳定的，无法精确预测，但是可以通过统计方法来研究湍流的平均性质。
第2章ABL湍流基础之1汇编
当湍流均匀平稳
ruu (t )
u' (t0 )u' (t0 t ) u '2
2）欧拉空间相关
ruu ( x)
u' ( x0 )u' ( x0 x) u '2
负的偏离
采用随机过程的统计学方法来反映大气湍流结构
湍流是大气边界层的固有属性，为进行研究，必须 将它进行量化 湍流的随机性很难进行确定的描述，因而不得不使 用统计学，对湍流做平均或期望度量。 把湍流与流的非湍流部分分开，继而求平均以进行 统计描述
解湍流运动控制方程（平均运动方程、脉动方程、 湍能方程…..）研究湍流运动
（2）协方差
协方差表示两个变量 A 和 B 之间的相关程度。 例如A代表空气位温，B代表垂直速度w，则有
湍流通量：
（3）相关函数和相关系数
对协方差进行归一化，可得到其互相关系数：
它表征两种不同的气象要素或同一种气象要素的不同 的分量间的相关 。
互相关系数的特征：
归一化的协方差即互相关系数有时很有用处，范围在 -1
风和气流的三种主要形态： 平均风速 波 动 湍 流
大气边界层的主要运动形态一 般是湍流：不规则性和脉动性。
2.1.2 湍流判据——雷诺数
V
d
层流和湍流在一定的条件下是可以相互转化的： 雷诺试验表明：流动速度越大，湍流就更容易发生。
雷诺（O Reynolds）在研究流体不稳定和湍流问题时，最早引进了 Re数。Re数是判断两粘性流体运动是否相似的重要判据之一。 特征Re数定义：
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• （7）流动特性。湍流不是流体的物理属性，而是流动的运 动性质，所以不同的流体其湍流特征往往也不一样，例如 边界层湍流与尾迹湍流，正因为如此（湍流依赖于外部条 件，如边界条件），所以工程上很难对湍流进行统一的模 式处理，但是湍流的一些本质特征是普适的，寻找这些普 遍规律正是湍流理论研究的中心任务；
• 适用条件: 湍强不太大 均匀湍流 平稳湍流
大气边界层湍流风速时间序列(一)
大气边界层湍流风速时间序列(二)
湍流是随机的，复杂的 但可以通过统计的方法 来研究
• 大气边界层内的湍流总是包括很多大小不 同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度湍涡 的相对强度定义为湍流谱。
• 最大的边界层湍涡接近边界层的厚度（100 －3000km），最小湍涡尺度只有几毫米， 由于分子粘性的耗散作用，其Βιβλιοθήκη 度非常微 弱。小湍涡以大湍涡为能源。
大气湍流基础
王成刚 大气物理系
平流层 对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
什么是湍流？——湍流现象
达芬奇描绘的湍流
火山爆发
杂乱、随机、无序
什么是湍流——湍流的定义
• Von.Karman和I.G Taylor对湍流的定义：湍流是流体和气 体中出现的一种无规则流动现象，当流体流过固体边界或 相固流体相互流过时会产生湍流。
湍流的主要特征（三）
• （8）记忆特性（相关性）。湍流运动在不同的时刻或空间不同 点上并不是独立的，而是有相互关联，但这种关联随着时间间隔 或空间距离的增大而变小，最后趋近于零；
• （9）间歇性。内间歇：充分发展的湍流场中某些物理量（特别 是高阶统计量）并不是在空间（或时间）的没一点上都存在的， 即有奇异性。外间歇：指湍流区与非湍流区边界的时空不确定性， 例如积云与蓝天之间的界面。间歇现象是近代湍流研究的重大发 现之一，目前是湍流理论研究的前沿课题;
同步级串（Scnchro Cascade Model）： 在物理图像上反映出级串过程并不是均匀的 由大涡向小涡裂解,事实上含能涡只需一次裂 解便同时形成大、中、小、微各种尺度。
雷诺分解和雷诺平均
• 雷诺分解是研究湍流的一般方法。是把温度和风等变量分 解为平均和扰动两部分。
• 平均部分表示平均温度、平均风速等的影响，扰动部分则 表示叠加在平均温度、风速上的湍流的影响。
• （10）猝发与拟序结构。这也是近代湍流研究的重大发现，试验 表明，在湍流混合层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构 和猝发现象，说明湍流不是完全无秩序、无内部结构的运动。这 促使人们改变了对湍流的某些传统观念。
从层流到湍流（一）
从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969
从层流到湍流（二）
湍流的输送/消耗（能量级串）：
湍流如何传递能量？
L. F. 理查森：
Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。
能量级串
Richardson Model：能量均匀级串模式， 不能刻画间歇性；
β Model:在流动由层流转向发达湍流的过程
中,能量由大涡向小涡级串,从空间上看,在给 定尺度上的能量传输率不是各向同性的,而是 间歇脉动的，缺少令人信服的物理解释；
• （4）涡旋。湍流中充斥着大大小小的涡旋，湍流是以高频扰动涡 旋为特征的有旋的三维（准二维）运动，单个的涡旋，例如大气中 二维的龙卷风不是湍流运动;
湍流的主要特征（二）
• （5）耗散性。湍流运动由于分子粘性作用要耗散能力，只 有不断从外部供给能量，湍流才能维持（湍流是一个耗散 系统），太阳辐射加热或封切变就是大气湍流的能源；
从层流到湍流 Frisch (1995)
Reynolds数
• 层流～湍流的判据
Re UL
• U：特征速度 • L：特征尺度 • v：分子粘性力
UL： 外力 v： 内力
边界层气象--湍流
大气边界层中湍流的成因
• 热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
• 动力原因：地面对气流的摩擦拖曳力产生 风切变，常常演变为湍流。
• Hinze对湍流的定义为：只提不规则运动不全面，“湍流的 各个量在时间和空间上表现出随机性。
• 周培源：湍流为一种不规则的涡旋(eddy)运动。 • ………… • 到目前为止，科学界还无法给出湍流的严格的科学定义
湍流的主要特征（一）
• （1）不规则性和随机性。这是湍流的重要性质，从动力学的观点 来看，湍流必定是不可预测的，研究湍流大多是用统计的方法；
• 虽然湍流运动复杂，随时间、空间的变化极不规则。但是 雷诺平均却有一定的规律性。
实际瞬时风速
湍流部分
平均风速
风速记录的局部放大。u’ 表示阵风或实际瞬时风
速U相对于平均风速 U 的偏离
流的平均部分和湍流部分
➢ 将大尺度变化与湍流分开的方法: 将风速实测资料在30 分钟到1小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值 的正的或负的偏离
• （2）扩散性。这是湍流的另一个重要性质，如果某种流动虽然是 随机的，但是它在周围的流体中不出现扩散现象，那么肯定不是湍 流，例如喷气式飞机的尾迹。湍流具有比分子运动强得多的扩散能 力;
• （3）大Reynolds数性质。湍流是一种在大Reynolds数条件下才 出现的现象，即非线性起主导作用，Re越高，越容易出现湍流， 大气边界层的Re可达到108，因此一般总是处于湍流状态;
湍流的产生（一）：热力作用
湍流的产生（二）：动力作用 风切变
泰勒假说
• 实际大气观测中很难得到某个瞬间湍流的空间分布
• Taylor(1938):
在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的 特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是 凝固的.这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测 量变为相应的空间上的测量.