边界层气象学课件：CH01_1绪论及湍流基础

课程目的与教学基本要求
边界层气象学是研究大气边界层的科学。它 以观测事实、实验室模拟、数值模拟等为出 发点，通过半经验理论、相似理论及统计理 论等，对边界层大气的湍流运动特性、能量 收支、物质输送和交换等方面的规律进行研 究。它是大气科学、环境科学等领域的重要 基础课程。 基本要求的三个档次，即掌握、熟悉、了解
边界层气象学
Boundary Layer Meteorology
参考书目
1、盛裴轩 等，大气物理学（其中的第三篇 大气边界 层物理），北京大学出版社，2003.
2、[美] Rolland B. Stull著，徐静琦，杨殿荣译， 边界层气象学导论，青岛海洋大学出版社，1991.
3、T R Oke, Boundary Layer Climates,1987
图8.1 热线风速计在大气中测量的风速记录 1992 年 8 月 13 日 在 戈壁 （ 甘 肃 ） ， 使 用 超声 风 速 仪 、 白 金 丝 温度 仪 和 Layman-湿度表观测得到的资料，以及由这些记录计算得到的瞬时风向。
其他复杂现象： 股票指数、地震记录 DNA序列、心脑电图
海岸线、气候序列 。。。
不规则性、多尺度性 注：你知道分形几何吗？
你知道混沌吗？
法国数学家曼德布劳特(B. B. Mandelbrot) 经历了不平凡的潜心研究，于1975年出版了 他的关于分形几何的专著《分形、机遇和维 数》，标志着分形理论的诞生
Fractal Geometry：破碎、不规则几何学
整数维 分数维 自相似
3、雷诺圆管实验（粘性不可压缩流体）
雷诺于1883年进行圆管实验：圆管 内的粘性流体在不同速度U、不同 直径D、不同粘性ν的（运动学粘 性系数）流体进行大量实验，发现 流体运动形态决定于参数 UD/ν ,1908年索末菲定义为：
Re＝UD/ν 。实验表明：
Re<2000，层流（Laminar flow）
大气环流模式
内容介绍
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
大气湍流基础 边界层平均特征 大气湍流控制方程及其闭合理论 近地面层及其廓线规律 中性大气边界层 对流边界层（混合层） 稳定边界层 非均一下垫面对边界层的影响 大气边界层观测及实验
第一章 大气湍流基础
一、大气湍流一般特征 二、湍流统计描述 三、湍流控制方程(第三章详细讲述) 四、kolmogorov局地各向同性湍流理论
Re>2000，湍流（Turbulent flow）
临界雷诺数：Rec=2000
地球大气雷诺数估计：
对于地球大气，特征长度一般可取离地面高度，若高度仅取1m， 水平速度取0.1m/s，ν=1.46105m2/s，则此时大气的雷诺数已超 过6000。可见大气中的雷诺数一般都是很高的，大气运动特别是 边界层内的大气运动具有完全湍流运动的性质。
初值敏感性 蝴蝶效应 气候可预报性问题
轨迹可无限接近，但永不相交
天地浑然如鸡子，盘古生其中。万八千岁，天 地开辟，阳清为天，阴浊为地
2、达芬奇笔下的湍流
人类最早对湍流运动现象的观察 和记录：15世纪意大利画家达芬 奇画笔下的湍流，并解释为： 乌云被狂风卷散撕裂， 沙粒从海滩上扬起， 树木弯下了腰
考察与考试
1、练习题（可选，关于湍流谱） 2、期中测验 40％ （开卷） 3、期末考试 60％ （开卷）
框架
经典流体力学描述流体运动规律，大气运动也满足这些规律。 大气动力学有其自身特点：旋转坐标系、层结现象、湍流运动、非 单一气体、尺度分级等。 气候动力学、中小尺度动力学（按运动尺度分类） 大气动力学＋大气热力学－－动力气象学 大气动力学＋湍流理论－－大气湍流 大气动力学＋大气热力学＋大气湍流－－边界层气象学 大气动力学＋相变理论（云雨雷电）－－云动力学 大气动力学＋环境科学－－污染气象学或环境气象学 大气动力学＋计算流体力学－－数值天气预报、中尺度数值模式、
一、大气湍流
注：物理学家，海森堡（Heisenberg）,冯.卡门(Von Karman) Von Karman 1961年曾在一次流体力学会议的开幕词中说： “当我最终去见上帝时，我祈求的第一个新发现就是揭示湍 流的奥妙！”
1、湍流和普遍存在的复杂现象
湍流：一种普遍而及其复杂的流体运动形态，也称紊流、乱流 大气湍流：复杂的大气运动形态 复杂性：时、空不规则，多尺度（macro-, meso-, micro-) scale
Mandelbrot 集
子
飓
夜
风
的
吉
他
黑暗中 月儿离我这么近 仿佛能够亲吻到
我的额头
孙博文(1999)
线性系统 非线性系统
你可以在计算机上求解上述方程，并绘制x(n)—u图形
？
3.992000 9.253256E-01 3.993000 1.243942E-02 3.994000 9.865483E-01 3.995000 1.466527E-01 3.996000 4.968770E-01 3.997000 7.034437E-02 3.998000 3.084679E-02 3.999000 9.449124E-01 4.000000 0.000000E+00
5、湍流定义
从雷诺实验至今已100多年，期间湍流研究虽取得不少成果，但湍 流如何产生、其发展变化行为如何等实质问题，依然没有大的进展。 科学界至今没有给出湍流的严格的科学定义。曾出现过的定义：
Reynolds：“ sinuous motion”, “弯曲、起伏、曲折、错综复杂”运 T动a。ylor & Von Karman (1973): Turbulence is an irregular motion which in general makes its appearance in fluid—gas or liquid....即： 湍流是流体的不规则运动。
雷 诺 数 反 应 了 常见，而层 流比较少，尤其是在大气中。
星星闪烁、湍流传热、湍流对污染物的输 送、燃烧中的湍流混合、晴空湍流（Clear Atmospheric Turbulence，CAT）、湍流诱 发振动对桥梁等建筑物的影响。湍流现象 与航空航天、水利、气象、化工、交通等 众多领域有关，是自然科学研究的基本问 题之一。