第八章大气湍流结构2

相似性分析步骤
具体分析步骤： 1、列出支配方程，确立物理模型 2、列出无量纲方程，两流场的诸物理量成 比例 3、得出由特征量参数组合而成的相似判 据，得到相似流场并进行相似分析，满足相似 条件。
物理模拟的实施
物理模拟的实施： 1、运用合理的相似原理作相似判据的实用 处理 2、设计和建造合适的模拟实验装置，如风 洞和水槽等 3、具备相应的测试手段和方法。
物理模拟的分类
3、中尺度大气过程的模拟 随着尺度的增 加 ， 模 拟 的 难 度 也 相 应 增 加 ， Froude 数 、 Rossby数和Reynolds数等相似不易满足。包 括：大缩比模型的风洞模拟；穿透对流的流体 动力学模拟；浮力对流和由其形成的集中涡现 象的模拟（如台风龙卷）等 . 4、大陆尺度和行星尺度大气现象的模拟。
四、波与湍流
自由大气中存在着各种波动。当波幅增长 而达到不稳定状态时，波动破碎，波能量可以 转换为湍涡能量。
波消失前后的水平风湍流谱
观测时的天 气条件： 水 平 风 速 20m/s； 风 速 梯 度 0.61m/s/100m ； 温 度 层 结 0.62℃/100m；
§8.5
云中的湍流
云都是在大气处于不稳定状态下发展起来 的。无论在垂直方向，还是水平方向，云内外 气流和气温分布也极不均匀。再加相变潜热的 影响，云中湍流一般比晴空湍流强得多，其发 生发展规律也比较复杂。
温度起伏谱的飞机测量结果。
（a）组曲线是 对流层中的测 量结果，接近 “-5/3定律”。 （b）组曲线是 在高度1680～ 3130米上的测 量结果。 （c）组曲线是 在对流层顶与 平流层的测量 结果。
二、自由大气湍流的间歇性
间歇性可以分为外间歇性和内间歇性。 从时间上看湍流与非湍流（层流）是交替出 现的，从空间上看，湍流与非湍流共存，并且 交织在一起，但有明显的分界面。这种间歇性 现象主要发生在人们可以直接观测到的湍流与 非湍流的不规则交界区域，它主要与流动的外 部边界条件或流动的大尺度结构有关，因此称 为外间歇性。
物理模拟装置
物理模拟的装置： 利用风洞和水槽等流体模拟装置
物理模拟的相似性分析
模型和原型之间满足自然条件相似（几 何条件、时间条件、边界条件和物性条 件）和流场相似（运动学相似和动力学相 似）。具体包括： 尺寸成比例缩小，满足根据具体情况得 到的无量纲特征参数相等，如Froude数、 Rossby 数 、 Reynolds 数 、 Richardson 数，Rayleigh数、Prandtl数、Mach数、 Péclé t 数 、 Ekman 数 、 Schmidt 数 、 Nusselt数等。
云中的湍流
云内外物理量的湍流输送对云体发展的影 响很大。湍流运动引起的云滴碰并、云中气 流、水汽量、含水量、电场等的随机变化，对 云滴增长的作用也十分显著，也是暖云降水起 伏理论(见第三篇)的主要基础。 一、层云中的湍流 二、对流云中的湍流
一、层云中的湍流
层云中湍流强度主要是根据飞机颠簸的资料 来估算。结果表明，Ci与Cs云中的颠簸强度比 同高度晴空区平均要强十倍左右。其强弱与云 中结构相关，云中结构愈不均匀，湍流强度也 愈大。
复 习
8、如何对大气边界层进行分类，有哪些类 别？ 9、稳定度的概念？ 10 、 如 何 利 用 动 能 方 程 分 析 Richardson 数，Obukhov长度？ 11、为什么说近地面层是常通量层？地面 层是常通量层的结论对分析近地面层的特点有 什么意义？
复 习
12、近地面层流场具有什么特点？ 13、什么是对流边界层的零阶模型和一阶 模型？ 14、类比对流边界层零阶模型d的动力学方 程，如何推导对流边界层一阶模型的动力学方 程？ 15、稳定边界层的特点是什么？
层云中的湍流
云中湍流输送系数比云外强。夏半年的 湍流输送系数普遍比冬半年的值大。
层云中的湍流
层云中湍 流输送系数 分布
二、对流云中的湍流
对流云中不稳定性与相变过程比层云剧烈， 其湍流也更充分发展。
对流云中的湍流(澳大利亚)
积云内不同高度 上垂直气流湍流谱。 1.离云底2.74km 2.离云底2.13km 3.离云底1.52km 4.离云底1.06km 垂直气流标准差 1.32m/s, 1.95m/s, 1.35m/s, 1.06m/s,
热湍流中的垂直风速谱
测 量 高 度 为 160～ 190米。 1. 12:57~13:00 2. 12:51~12:55 3. 12:46~12:49 4. 12:39~12:44 5. 12:35~12:37
热湍流中的水平风速谱
结果表明，在尺度1公里左右以内，热湍流 谱基本上符合“5／3次方定律”，根据资料统 计，这类热湍流的积分尺度约为400米左右。
不稳定层结能量使湍流能量增加，湍流谱符 合“-5/3”定律。 中性层结，湍流谱基本符合“-5/3”定律。 稳定层结时，湍流能克服浮力的作用使得湍 流谱随尺度减小衰减很快。
晴空大气湍流能谱形式
飞机观测水平风湍流谱。(a) 1公里高，不稳 定层结 (b）3公里高，中性层结；
晴空大气湍流能谱形式
（c）6公里高，稳定层结；（d）9公 里高，强稳定层结。
物理模拟是指，以适当的流体，如空气或水 作为介质，根据一定的相似条件（几何相似， 运动学相似和动力学相似等），将发生在实际 大气里的大气过程和现象，通过一定的装置和 技术手段予以实现，以供在实验室内进行专门 的细致研究。
物理模拟的优点
物理模拟的优点： 试验条件可以控制，易于再现和重复； 试验周期短； 提供的信息丰富全面，分辨率高。
自由大气湍流的间歇性
不同高度上湍流间歇性的日变化
图中的长短 不一黑线表示存 在湍流，而空白 处则无湍流。结 果表明，湍流具 有明显的空间不 均匀的结构，湍 流与非湍流区之 间的界限分明。
自由大气湍流的间歇性
与上述外间歇性不同，实验发现在已经充分 发展的小尺度湍流中还存在着另一种间歇性： 某些物理量，例如能量耗散率ε，不是均匀分 布在流场中的；在有些区域非常活跃，在另一 些区域则非常微弱；这种情况对于高阶物理量 或物理量的高阶导数更加明显。这就是湍流的 内间歇性。
本章内容
§8.1 大 气 温 度 层 结 对 湍 流 的 影 响 —— Richardson数 §8.2 大气边界层 §8.3 大气边界层的研究方法 §8.4 自由大气中的湍流 §8.5 云中的湍流
§8.3
大气边界层的研究方法
理论联系实际。包括： 1、野外观测， 2、物理模拟， 3、数值模拟。
2、物理模拟
对流云中的湍流(前苏联)
积雨云中垂 直气流谱 1. 云 顶 下 2km 2. 云 顶 下 几 十～几百米 3.云底上0～ 200m 4. 云 侧 边 缘 0～500m 5.云下处
总结
1、大气边界层的研究方法：野外观测，物 理模拟，数值模拟。 2、实现大气边界层的物理模拟需满足的条 件：几何相似、运动学相似何动力学相似。 3、大气边界层数值模拟的分类：直接模 拟，系综平均模拟和大涡模拟。 4、影响自由大气湍流结构的主要因子是温 度层结、风切变、不稳定的大气波动与热对流 等。 5、云中的湍流比晴空大气中的湍流强。
热湍流中的温度起伏谱
测 量 高 度 为 350 米。 1. 15:38~15:42 2. 15:43~15:48 3. 15:48~15:53
热湍流中的水平风速谱
测 量 高 度 为 160～190米。 1. 12:57~13:00 2. 12:51~12:55 3. 12:46~12:49 4. 12:39~12:44 5. 12:35~12:37
物理模拟的分类
物理模拟的分类：按尺度进行分类 1、分子尺度和近于分子尺度的现象的 间接模拟 包括大气化学问题的模拟和云雾 降水现象的模拟 2、微尺度和小尺度大气过程的模拟 主 要是发生在大气边界层里的大气现象的模 拟，采用相似性原来建立完全的精确的近 地层实验动力学模型，地球旋转不起主要 作用。包括：近地层湍流及其机制；山丘 上方气流空气动力学结构；湍流对流与热 力对流及其伴随大气现象的基本研究等.
3、数值模拟
数值模拟研究就是利用计算数学的理论和方 法，求解大气运动方程的数值解。 (1)、大气边界层数值模拟研究的基本特征 (2)、大气边界层数值模拟主要类别
(1)数值模拟研究的基本特征
在边界层的研究方法中，数值模拟是一 种很常用的方法，它具有可重复性、可控 制性的显著特点。大气边界层的数值模拟 主要有以下一些基本特点： 1）大气边界层的数值模拟与数值提起 预报或气候变化模拟相比，时间和空间分 辨率都很小。
复 习
1、大气湍流的影响因素 2、动力学边界层、Ekman层 3、大气边界层的一般性概念是什么？ 4、对于水平均一下垫面，水平均匀， 忽略下沉，大气边界层湍流动能方程的形 式是什么，各项的物理意义是什么？ 5、边界层中的空气流动有哪些形式？ 6、大气边界层最基本的特征是什么？ 7、大气边界层有什么样的结构？
晴空大气湍流能谱形式
飞机观测垂直风湍流 谱。当时是对流发展的天 气，在1公里以下大气层结不 稳定，对流发展比较充分， 垂直气流湍流谱基本上满足 “5／3次方定律”。在1公里 附近及以上，大气层结稳 定，尺度超过100米的湍流 谱就偏离“5／3次方定律”。 而为
E (Fra Baidu bibliotek ) ~ κ
−2.42
晴空大气湍流能谱形式
对流云中的湍流(美国)
积云内垂直气 流能谱分布 1. 云 底 上 300m 2. 云 顶 下 300m 3.(1) 与 (2) 的 平均 4.云底上300600m的平均 4.云底上600900m的平均
对流云中的湍流(美国)
积雨云中垂直(a)水平(b)气流谱
对流云中的湍流(前苏联)
积云中湍流输送系数K(m2/s)
自由大气湍流的间歇性
湍流输送系数κ的空间分布：
三、对流和热湍流
当大气层结不稳定时，大气中产生对流运 动。根据飞机观测结果，这种对流运动有二 类。一类是有规律的环流型对流运动。Benard 对流胞就是非常典型的例子，当层结不稳定性 进一步增强时，则产生第二类无规则的垂直运 动，其形式可以是各种尺度的垂直运动的气 泡，或是气柱。这种运动称之为热湍流。
§8.4
自由大气中的湍流
在行星边界层以上的自由大气中，地表对大 气湍流的发生发展已没有直接的影响。 温度层结、风切变、不稳定的大气波动与热 对流等将是确定和影响自由大气湍流结构的主 要因子。
本节内容
一、温度层结对湍流结构的影响 二、自由大气湍流的间歇性 三、对流和热湍流 四、波与湍流
一、温度层结对湍流结构的影响
数值模拟研究的基本特征
2）在边界层数值模式中耦合陆面过程模式 来模拟地面温度、湿度的变化。 3）大气边界层模拟中需要细致地考虑次网 格通量项的参数化问题。
(2)、数值模拟主要类别
1）直接模拟 网格空间尺度很小（毫米），时间尺度亦要 小，研究湍流瞬时变化特征。 2）系综平均模拟 一阶闭合模拟 二阶闭合模拟 高阶闭合模 拟 湍流能量闭合模拟 非局地闭合模拟 3）体积平均与大涡模拟