第八章大气湍流结构2
大气湍流基础汇总
• （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;
大气湍流的结构与演化规律研究
大气湍流的结构与演化规律研究大气湍流是指大气中产生的不规则流动现象，其结构和演化规律一直是气象学和流体力学领域的研究热点之一。
湍流的形成和发展牵涉到众多因素，如地球自转、地形、气候条件等，因此，理解和研究大气湍流的结构与演化规律对于气象学的发展以及预测天气变化等方面都具有重要意义。
大气湍流的结构可以分为三个层次，即宏观结构、介观结构和微观结构。
宏观结构指的是湍流的整体形态和空间分布特征，通常由大气环流系统所主导。
例如，气旋和气团是宏观结构中常见的湍流现象，它们形成于强烈的温度、湿度和风速的对比，可以引起降水和风暴等极端天气事件。
介观结构则是宏观结构内部的小尺度湍流现象，其空间分布往往很复杂，并且与局地地形和能量输送有关。
微观结构是介观结构内部的最小尺度湍流现象，其特点是空间尺度短小、能量交换频繁。
微观结构的研究对于理解大气湍流中的动量、热量和物质传输具有重要意义。
在大气湍流的演化规律方面，研究者们提出了许多数学模型和实验方法来描述湍流的发展过程。
其中，最为著名的是雷诺（Reynolds）平均方程，该方程通过对大气运动的时间平均和空间平均，将湍流现象简化为一组守恒方程和湍流扩散方程。
这种平均方法虽然可以减少复杂性，但却不能完全准确地揭示湍流的内在机制。
近年来，随着计算机技术和数值模拟方法的进步，直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）等方法得到了广泛应用。
这些方法可以模拟湍流的微观结构和介观结构，从而提供了更为精确的湍流演化规律。
除了数学模型和实验方法，研究者们还通过观测和测量大气中的湍流现象，获取湍流结构和演化规律的信息。
例如，利用雷达和卫星观测手段，可以测量大气中的风速、温度、湿度等要素的变化，从而揭示湍流的空间分布特征。
此外，新近的激光雷达技术（Lidar）和空中无人机观测技术（UAS）等手段，也为大气湍流研究提供了新的途径。
这些观测方法的发展，有助于提高对湍流结构和演化规律的认识，并为天气预报和气候模拟等提供更为准确的数据。
第八章 大气湍流结构
9
• 1-Rf＝0时，能量方程右端第一项为0，表示切变 所产生的湍流能完全被稳定层结所抵消，此时， Ri数称为临界理查逊数，Ric
kz Ric = R f = α kθ 1
（8）
Ric变化范围在0.25——1之间
10
§2 大气边界层
• 概述 大气边界层（行星边界层）：地面——1.5km 粘性副层<1m，分子粘性力>>湍流切应力 近地面层<50-100m，分子粘性力<<湍流切应力 上部摩擦层（Ekman层），气压梯度力、地转偏 向力和摩擦力同等重要
（7）
kθ α= kz
g γ d − γ Ri = T ∂u 2 ( ) ∂z
（5）
（6）
8
物理意义
• Rf<0，（1-Rf）在能量方程中表示不稳定的层 结使平均流场加强对湍流能量的转换； • Rf>0，表示稳定的大气层结抑制了平均流场向 湍流场的能量转换； • Rf＝0，中性无影响；
（11）
14
三、近地面层风、温、湿随高度分布规律
湍流相似理论 1、奥布霍夫－莫宁尺度
L=−
κ
3 u* g
θ0
θ ′w′
=
κ
2 u* g
θ0
θ*
（12）
L由动量输送、热量输送以及浮力参数组成
15
L的意义
• 层结稳定，L>0，L越小稳定性越强 • 层结不稳定，L<0，L越大不稳定性越强 • 层结中性，L→∞ 作为大气层结状态的判据
22
16
2、平均场的廓线函数
根据因次分析π定理，任何层结条件以及下 垫面的温、湿、风廓线的表达式，除以适当特征 量后，可转化为无量纲形式，成为无量纲稳定度 因子Z/L的普适函数
动力气象-第八章(大气边界层1)解析
§1 大气边界层及其特征
大气边界层的定义
与地表直接接触，厚度约为1~1.5km、 具有湍流特性的大气层(PBL，Planetary Boundary Layer)。
大气分层及其特性
由于受地表（固壁粗糙不平）影响——湍流边 界层。 ——地表对大气的影响随高度增加而较弱； ——湍流的强度随高度增加而较弱； ——湍流粘性力随高度增加而减小； ——湍流粘性力的重要性随高度不同而不同。
对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空 气便下降来补充（下图），这种升降运动，称为 对流。通过对流，上下层空气互相混合，热量也 就随之得到交换，使低层的热量传递到较高的层 次。这是对流层中热量交换的重要方式。
湍流：空气的不规则运动称为湍流，又称乱流 （下图）。湍流是在空气层相互之间发生摩擦或 空气流过粗糙不平的地面时产生的。有湍流时， 相邻空气团之间发生混合，热量也就得到了交换。 湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。
(3)湍涡在运动过程中，在混合长距离内不 与周围混合而失去其原有的特性；
——在混合长距离内，物理属性守恒。
设有一湍涡所携带的物理量属性为A，它 在运动过程中不断与周围的介质进行混合， 最后完全失去其原有的特性。作如下的假 定：假设其在运行某一距离之后才与四周 的介质混合失去其原有的性质，但在此之 前，其仍然保持原有特性。这个能够保持 原来物理特性不变的长度称之为混合长。 如下图。
与分子运动类似——无规律、不确定性。 确定或者描述个别分之的运动是不可能也 是没有意义的。 只有统计量才有规律。如：大数平均量。
地面上自动温度仪记录的温度
温度的日变化曲线
每隔t 作一次平均
可见：
大气湍流基础
系综平均，对N个同样的试验求和：
e
A(t, s)
1 N
N 1
Aj (t, s)
j0
各态遍历：对于均匀平稳的湍流而言，时间平均，空间平 均及系综平均这三种平均都相等。
雷诺平均
A A a, B B b A Aa Aa Aa
a 0
AB (A a)(B b)
AB aB Ab ab AB 0 0 ab AB ab
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。
u j 0 x j uj 0 x j
运动方程：
dw g 1 p
dt
z
取平均：
dw w g dp p
dt
dz
1
d
w w dt
(1
)g ( p
z
p)
1
d
w w dt
g 1
p z
1
p t
g
假设： w 0
1
d
w w dt
g 1
0
湍流统计参数
• 平稳湍流、均匀湍流、各向同性湍流
1、方差 （湍流强度 湍流平均动能） 2、相关函数和相关系数 （同一变量） 3、协方差 （不同变量） 4、湍流尺度 相关系数的积分
作业2：
• U（m/s） 5, 6, 5, 4, 7, 5, 3, 5, 4, 6 • W（m/s） 0, 1, -1, 0, -2, 1, 3, 3, -2, 1 • 求解平均速度， 方差，协方差，相关系数
第八章大气湍流结构
低空急流
稳定边界层内雷诺应力减小造成空气加速原 理示意图：
− 1 / ρ∇ h p
− 1 / ρ∇ h p
v V
v N
v Vg
v v − fk × V
v p-2 D
p-1 p
v N
p v v -2 V D v Vg
v v − fk × V
p-1 p
一次实验记录(University of Colorado)
TLS profiles of wind speed and temperature obtained from turbulence package 2 for two separate periods: (upper) 0614–0636 UTC; (lower) 0713–0731 UTC, on the night of 21 Oct 1999 during CASES-99. The left-hand profile in both denotes wind speed (WS), while the right-hand profile in both instances denotes temperature(T). The straight line to the right-hand side of each plot depicts the 9.8 K
1、中性边界层的尺度
合适的尺度参数有：u*，h和z。 Richardson数（加速度的比值）：
gθ ′ / T0 Ri = 2 u∗ / h
中性条件下，浮力的影响不能忽略。 取 典 型 值 ： θ’=10-3℃ ， u*=0.3m/s ， h=500m，Ri~0.2。
2、中性边界层的动力学
观测资料很少，理论主要来自于数值模拟的 结果。 K-理论。
湍流结构的生成演化与作用机理
湍流结构的生成演化与作用机理引言湍流是自然界中普遍存在的一种流动状态，它在地球大气环流、海洋运动、河流流动以及工程中的空气、水流动等各个领域都有着重要的作用。
湍流的产生与演化是一个复杂的过程，它不仅与流体特性有关，还与外界环境因素有着密切的联系。
湍流结构的生成演化和作用机理一直以来都是科学研究的热点之一，其研究不仅在理论上有重要意义，而且对实际工程中的流体运动与传热传质等问题也具有重要的指导意义。
一、湍流结构的生成演化湍流结构的生成演化是一个复杂的物理过程，涉及到多种流体力学和热传递传质传递等的相互作用。
主要有下面这些方面：（一）随机扰动引起的湍流生成湍流的产生与流体运动的不稳定有着密切的联系，而流体的不稳定又可以由外界的扰动引起。
在自然界中，许多湍流的生成都与随机扰动有关，例如湍流云的形成就与微观气候环境的不稳定有密切的联系。
在工程中，由于流体运动过程中的各种不规则因素，也容易引发湍流的生成。
因此，随机扰动引起的湍流生成是影响湍流结构的一个重要因素。
（二）湍流的演化湍流是一种不规则的流动状态，其演化过程也同样是多变的。
湍流的演化过程主要表现为湍流结构的不断变形、合并和分裂。
在湍流运动过程中，由于湍流结构间的相互作用，湍流结构不断地发生变化，使得湍流结构的演化过程变得更加复杂。
因此，湍流的演化是一个非线性、动态和多尺度的过程。
（三）扩散和混合湍流的产生和演化导致了流体的混合和扩散，进而影响着流体的物理性质。
在湍流运动过程中，由于湍流结构的不规则性，流体中的各种物质不断地相互混合，形成了复杂的混合界面。
与此同时，湍流的产生和演化还导致了流体的扩散，使得流体中的物质在空间上得到了更好的分散。
因此，湍流运动对于流体的混合和扩散起着至关重要的作用。
二、湍流结构的作用机理湍流结构的作用机理是指湍流结构在流体运动、传热传质及其它物质运动过程中产生的作用机制以及对流体性质的影响。
主要有以下几个方面：（一）湍流的阻力和能量耗散湍流的不规则性决定了湍流的阻力和能量耗散特性。
大气边界层中的湍流动力学特性
大气边界层中的湍流动力学特性湍流是大气边界层中一种重要的动力学特性，它对天气和气候的变化起着至关重要的作用。
在这篇文章中，我们将探讨大气边界层中的湍流动力学特性，以及它对大气层的运动和能量传递的影响。
1. 湍流的定义和起源湍流是一种流体运动的不规则状态，具有无序、随机和不可预测的特性。
在大气边界层中，湍流起源于气流的不均匀性。
当空气流经复杂的地貌或是被大气层中的涡旋扰动时，它会产生旋涡和不稳定的运动，从而形成湍流。
2. 大气边界层中的湍流结构湍流结构是指湍流运动的空间和时间分布特征。
在大气边界层中，湍流结构通常呈现出多尺度的特点，即存在不同大小的湍流结构。
大尺度湍流结构通常呈现出较稳定的漩涡形状，而小尺度湍流结构则呈现出剧烈的湍动和混合。
3. 湍流的能量传递湍流是大气中能量传递的重要机制之一。
在大气边界层中，湍流通过将能量从大尺度结构传递到小尺度结构，实现了能量的分层和再分配。
这些能量传递过程对于维持大气层的稳定和平衡具有重要意义，并对气候和天气的形成与变化产生影响。
4. 湍流对大气层的运动和混合的影响湍流对大气层的运动和混合起着重要的作用。
它通过垂直和水平方向上的湍流运动，促进了空气的上升和下沉，从而引发了云的形成和降水的出现。
湍流还能够在大气边界层中混合不同温度和湿度的空气，对于维持大气层的温度和湿度分布起到重要作用。
5. 湍流的预测和模拟湍流的预测和模拟是大气科学研究的重要课题之一。
科学家们通过观测和数值模拟等手段，研究湍流的产生机制和演化规律，以提高对天气和气候变化的预测能力。
湍流模拟还能够为空气污染、风能利用等领域的研究提供重要参考和支持。
总结：大气边界层中的湍流动力学特性对于天气和气候的变化具有重要的影响。
湍流的定义和起源、湍流结构的多尺度特性、湍流的能量传递、湍流对大气层的运动和混合的影响，以及湍流的预测和模拟等方面的研究成果，为我们更好地理解和预测天气和气候变化提供了重要的理论基础和科学支持。
大气边界层中的风场与湍流结构
大气边界层中的风场与湍流结构大气边界层是指地球表面和大气中心之间的空气层，在这个区域中，风场和湍流结构是其重要特征。
风场指的是空气在这一区域内的运动规律和方向，湍流结构则是指空气中存在的湍流现象。
1. 背景介绍大气边界层是地球上大气活动的重要区域，它直接影响到我们的生活和工作。
了解大气边界层中的风场和湍流结构，可以帮助我们更好地理解气象现象和改善环境。
2. 风场的特征风场是大气边界层中的重要现象，它决定了空气的流动方式和强度。
风场可以分为垂直和水平风场。
垂直风场主要由气压差和温度梯度驱动，而水平风场则由地球自转和地形等因素控制。
在大气边界层中，风场存在着垂直剖面的变化，如常见的湍流现象。
湍流是由于空气流动遇到不规则物体或不均匀的地表而产生的不规则运动。
湍流现象的存在会增加风场的复杂性，并对大气环流产生影响。
3. 湍流结构的研究方法为了研究大气边界层中的风场和湍流结构，科学家使用了多种观测方法和数值模拟技术。
其中，常用的观测手段包括气象测量站、气象雷达和风力测量仪等。
另外，数值模拟技术也成为研究大气边界层风场和湍流结构的重要工具。
通过建立数学模型和计算流体力学的方法，可以模拟大气边界层中的风场和湍流现象，帮助科学家更好地理解和预测气象过程。
4. 风场和湍流结构对气象现象的影响大气边界层中的风场和湍流结构对多种气象现象产生着重要影响。
例如，风场的强度和方向决定了气象系统的演变和传播路径，湍流结构则直接影响大气的能量传递和物质混合。
此外，风场和湍流结构还与气象灾害密切相关。
例如，在台风和龙卷风等极端天气事件中，风场和湍流的强度会影响风速和风向的变化，进而影响气象事件的严重程度和发展趋势。
5. 应用前景和挑战对大气边界层中风场和湍流结构的研究有着广泛的应用前景。
这些研究成果可以用于气象预测、空气质量监测和环境保护等领域。
例如，通过准确地了解风场和湍流结构，可以提高气象预测的准确性，减少灾害风险。
然而，研究大气边界层中的风场和湍流结构也面临着一些挑战。
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。
动力气象-第八章(大气边界层2)解析
埃克曼标高（hE）， 具有高度因次，它 又是推导埃克曼螺线所特有的参数，也是
边界层厚度的特征量。
梯度风高度ZH（hB）为埃克曼标高的 倍
hE～312m
当zH= hE =hB时，
45o
3、湍流粘性力随高度的变化 (1i) z
W u iv (ug ivg )e hE (ug ivg )
边界层最重要的特性是： 湍流性——物理量输送 据观测近地面层中 Tzx Tzx “近地面层”中，该层很薄，物理量的通量
几乎不随高度变化。 由于近地面层中物理量的通量几乎不随高度
变化，所以又称近地面层称为常值通量层。
常通量层中，物理量的垂直输送不随高度 变化。则湍流动量输送（雷诺应力）
Tz = Tz0 =常矢量 其中z0称为地面粗糙度，定义为风速为零 的高度，风洞实验确定其值为覆盖下界面 粗糙物平均高度的1/30。
有代表性的地面粗糙度
图中的w表示垂直运动，F表示浮力
中性层结中，湍流仅决定与下垫面动力作用。离 下垫面越近，l 就越小。Prandtl假设l是z的线性
函数l=z。 是卡曼常数（0.35~0.42，一般取
0.4）。
l z
斜率为ctg u ;
z轴上的截距为y0 ln z0
➂ 假定地面风速为零，从而得到风与等压线交角为45。 然而当z=0时，u=v=0，那么风向是无法确定的，45 的交角是理论的，实际上，地面风不为零，海洋上 该角为15，陆地上一般为30。
埃克曼为等角螺线
(1i) z
(1i) z
W u iv uge hE ug ug (e hE 1)
引入复地转偏差：W
W z
1 hE
i
ug
e
(1i
大气湍流
大气湍流胡非自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的香烟头附近细细的烟流；另一种则显得杂乱无章，看上去毫无规则，例如烟囱里冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流，也叫紊流，在日文文献中被叫作“乱流,更容易顾名思义。
相对来说层流却是很少见的。
我们生活的地球被大气所包围，广义地讲，整个地球大气系统都可以看作是处在具有宽广尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实际应用价值。
大气湍流以近地层大气表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运动的具体表现。
大气湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使大气中的动量、热量、水汽、污染物等产生强烈混合和输送，能对建筑物、飞行器等产生作用和影响，还会使大气折射性质发生变化从而导至电磁波和声波被散射，湍流是一种开放的、三维的、非定常的、非线性的、并具有相干结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于一身。
自从1883年Reynolds做了著名的实验以来，一百多年里一直是科学的前沿和挑战性问题之一。
历史上，包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得大的成功。
在跨越了两个世纪之后的今天，尽管人们对湍流发生机理和湍流运动规律的了解有了很大的进展，湍流研究在工程技术上的应用也取得了很大的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全面，还有很多基本的问题没有搞清楚。
例如：目前为止，科学家们还给不出湍流的严格科学定义，也没有找到对湍流的解析和定量描述方法；尽管知道了控制流体运动的Navier-Storkes方程，但是由于该方程是强非线性、高自由度的偏微分动力系统，因而对其解析求解几乎是不可能的；Reynolds平均方程则遇到“不封闭”困难；湍流模式理论同样也因为对物理机制缺乏理解而并不很成功。
总之，湍流仍然是摆在全世界科技工作者面前的难题。
周恒院士指出，湍流问题不仅制约了航空、航天、水利、化工等许多工程技术和大气科学、海洋科学等自然科学的进一步发展，而且“也可能会对21世纪的某些新兴科学技术的形成起到制约作用”。
大气风速与湍流结构的垂直变化特征分析
大气风速与湍流结构的垂直变化特征分析引言：大气风速和湍流结构是大气环流中的重要参数，对天气预报、气候研究和环境影响评估具有重要意义。
本文将分析大气中风速和湍流结构的垂直变化特征。
一、大气风速变化规律大气风速是大气环流中最基本的参量之一，它受到多种因素的影响，如地球自转、地形、海洋热力等。
从地面开始，随着海拔的增加，风速往往呈现一定的变化规律。
1.风速的垂直分布大气中风速的垂直分布具有一定的特征。
从地面到高空，风速一般呈现逐渐增大的趋势，但增长速率逐渐减小。
在一定的高度范围内，风速达到一定的峰值，这个高度范围可以看作是风速的层结区域。
超过层结区域后，风速开始逐渐减小，并逐渐平缓。
2.影响风速的因素大气中风速的变化受到多种因素的影响。
地形起伏较大的地区，风速的垂直分布可能会受到地形的限制。
海洋热力也会对风速的垂直分布产生影响，例如海洋上风速较低的海表面层。
此外，年份、季节和地理位置等因素也可能导致风速的变化。
二、湍流结构的垂直变化特征湍流结构是指气流中存在的无序涡旋结构，对大气环流和能量传递起着重要作用。
湍流结构的垂直变化特征可以通过湍流能量谱分析来研究。
1.湍流能量谱湍流能量谱是描述湍流结构在不同尺度上的能量分布的工具。
从初级湍流到高级湍流，湍流能量谱呈现出不同的形态。
在小尺度上，湍流能量谱呈现出较陡的斜坡，表示湍流结构的能量集中在小尺度上。
随着尺度的增大，湍流能量谱逐渐平缓，表示湍流结构的能量逐渐向大尺度集中。
2.湍流结构的垂直分布湍流结构的垂直分布也具有一定的特征。
从地面到高空，湍流结构的尺度呈现逐渐减小的趋势。
在地面附近，较大尺度的湍流结构占主导地位，而随着高度的增加，尺度较小的湍流结构逐渐增多。
结论：大气中风速和湍流结构的垂直变化特征具有一定的规律性。
从地面到高空，风速逐渐增大，但增长速率逐渐减小。
湍流结构的尺度从地面开始逐渐减小。
这些特征的研究对于天气预报、气候研究和环境影响评估具有重要意义。
大气湍流
平行取向液晶器件作为大气 湍流模拟器(A 湍流模拟器 TS)
液晶大气湍流模拟器的优点
• 利用液晶设备制造出理想的湍流波前、 低空间频率成分的波前与理论值十分接 近。 • 另外，和可变形的镜面不一样的是液晶 设备没有滞后现象，因此液晶可靠地再 现了没有机械运动的湍流轮廓。
液晶大气湍流模拟器的不足
大气湍流最常发生的3个区域 大气湍流最常发生的 个区域： 个区域
① 大气底层的边界层内 ②对流云的云体内部 ③大气对流层上部的西风急流区内
大气湍流条件： 大气湍流条件：
大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件： ①动力学条件是空气层中具有明显的风速切变； ②热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度。
模拟大气湍流的方法
• 目前有很多模拟大气湍流的方法 ,例如 ,加热空气 或水的强迫运动法、空间光调制器(SLM) 、 变形 镜(DM) 、 衍射光学元件(DOM) 、 计算机生成全 息图 ( CGH) 和静相位片等。 • 液晶器件具有高像素密度、 大面积、 无热量产 生、 位相编程实时控制等优越性能 ,可以用来制 作大气湍流模拟器 ,且可以解决湍流池和位相屏 的缺点 ,引起了人们的高度重视，室内实验用基 于液晶的大气湍流模拟器具有十分重要的应用价 值。
液晶像素较大，对大气湍流高频成 份的模拟会有所失真，因此增大液 晶的像素密度，利用更多的Zernike 模式模拟湍流可以模拟出更接近真 实的大气湍流。
随着电子和激光技术的不断发展，液 晶与激光就犹如一对双生子互相依托、 相辅相成，相信在未来的光通信领域， 液晶技术将成为主要的关键技术之一。
研究大气湍流模拟器的意义
• 大气湍流造成空气折射率的随机分布 ,严重响光束通过大气后的成像质 量。·随着天文成像、激光通讯、 轨 迹跟踪等高端技术的发展 ,这种影响 越来越引起人们的重视。 • 野外实验费时费力、 重复性差 ,因此 在工程设计和实验中人们迫切需要能 模拟大气湍流扰动的大气湍流模拟器 ,以便在实验室里就可以进行相应的实 验。
大气边界层的湍流结构与特征研究
大气边界层的湍流结构与特征研究大气边界层是指地球表面与大气中高空空气交接的层次。
在大气边界层中存在着湍流结构，这种结构对于气象、环境、风能等方面具有重要意义。
本文将对大气边界层的湍流结构及其特征进行研究。
一、大气边界层与湍流结构大气边界层是指地球表面与大气中高空空气交接的层次。
其高度范围一般为地表附近几百米到几千米。
大气边界层中存在着湍流结构，湍流是一种流体运动的不规则性，它体现为速度、能量和质量的扩散。
大气边界层的湍流结构主要受到以下因素的影响：1. 风速和风向：风速越大，湍流结构越发展，风向变化剧烈时，湍流结构也会发生变化。
2. 地表形态和植被：地形起伏、建筑物和植被对湍流结构有较大影响，如山地、城市和森林等地形具有不同的湍流特性。
3. 气象条件：大气温度、湿度、辐射等气象条件对湍流结构具有一定影响。
4. 大气层中的层结和不稳定度：大气层中存在的温度、湿度层结以及不稳定度的变化，会对湍流结构产生影响。
二、大气边界层湍流特征大气边界层湍流具有以下特征：1. 三维结构：大气边界层中的湍流运动是三维的，在水平、垂直和时间尺度上都具有不规则性。
2. 不稳定性：大气边界层中存在温度、湿度的垂直梯度，不稳定度较高，湍流结构也较为发达。
3. 多尺度性：大气边界层湍流在不同的尺度上都存在，从小到大可以有小涡旋、湍流爆破、辐合辐散等不同尺度的结构。
4. 波动性：湍流结构具有剧烈变化的特点，可以存在波动、混沌等非线性现象。
三、大气边界层湍流研究方法大气边界层的湍流结构研究主要通过以下方法进行：1. 实地观测：在大气边界层进行气象探测，通过测量风速、风向、温度、湿度等参数，可以获取湍流结构的一些特征。
2. 数值模拟：利用计算流体力学方法对大气边界层中的湍流结构进行数值模拟，可以模拟出湍流的演化过程及其物理特性。
3. 实验室模拟：通过实验室装置，模拟大气边界层内的湍流结构，探究湍流的形成机制和特征。
四、大气边界层湍流结构的研究意义对大气边界层湍流结构的研究具有以下意义：1. 预测和预警：了解大气边界层湍流结构的特征，可以为天气预测、灾害预警等提供依据。
流体力学第八章(湍流)
湍流运动极不规则和不稳定，并且每一点的物理量随 时间、空间激烈变化，显然，很难用传统的方法来对湍 流运动加以研究。
但湍流的杂乱无章及随机性可以用概率论及数理统计 的方法加以研究。
也就是说，湍流一方面具有随机性，而另一方面其统 计平均值却符合一定的统计规律。
三、平均值运算法则
①时间平均值：
考虑一维流体运动，对于物理量 A(x, t) ，对于任意空间
点 x ，以某一瞬时 t 为中心，在时间间隔 T 内求平均，
即：
A时
x,
t
1 T
tT
A 2
tT
x, t
dt
2
其中，T 为平均周期，它的选取一般要求大于脉动周期
，而小于流体的特征时间尺度。
②空间平均值：
对于任意时间 t ，以某一空间点 x 为中心，对一定 的空间尺度求平均，即：
A空x, t
Af AdA
而由于物理量量的值通常总是发生一定的有限范围之
内的，故通常采用下式来计算有限范围 A1 ~ A1 内
系统平均值：
A系x, t
A1 Af AdA
A1
以上就是处理湍流运动将经常用到的平均值的定义， 尤其是时间平均用得最多。
定义平均值后，可以将湍流运动表示为： 湍流运动 = 平均运动+脉动运动
为了平均化运算的方便，进行适当变换，可得：
u (uu) (uv) (uw) 1 p 2u u( u v w )
t x y
z
x
x y z
u (uu) (uv) (uw) 1 p 2u
t x y
z
x
将任意物理量表示为： A A A
速度分量为：
u u u;v v v; w w w; p p p
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。
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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 (κ ) ~ κ
−2.42
晴空大气湍流能谱形式
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,
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.
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。
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 、 Schmid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。
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。
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。
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
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？
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。
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。
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
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。
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)
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。
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。
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
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？
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。