第八章 大气湍流结构
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。
大气湍流
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。
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。
定义：空气质点呈无规则的或随机变化的运动状态,这种运动
服从某种统计规律。
图 1 大气湍流
大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中 的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强， 远大于分子运动的交换强度。大气湍流的存在同时对光波、声 波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用。
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。
大气湍流结构的统计特性分析
大气湍流结构的统计特性分析一、引言大气湍流一直是气象学和气候学领域的重要研究课题。
湍流作为一种不规则的、不可预测的流动形式，其所具有的复杂性使其难以解析和模拟。
然而，通过对湍流的统计特性进行分析，我们可以更好地理解大气湍流的生成和演化规律，从而提高预测和模拟的准确性。
二、湍流的基本概念湍流是指在一定流场中，流动速度存在不规则的涨落和旋转现象。
它是由于流体在不稳定流场中发生的流速、涡旋和涡漩等二次运动而产生的。
湍流流场的主要特点是速度、压力和密度等物理量在时间和空间上的不规则性。
三、湍流的统计特性湍流的统计特性主要包括湍流速度的分布、二阶统计参数和流场相关量。
其中，湍流速度的分布可以通过测量大样本流动的平均速度来获得。
我们可以使用雷达、飞机和卫星等工具对流场进行实时观测，并根据观测数据进行统计分析。
四、湍流的二阶统计参数湍流的二阶统计参数包括相关系数、功率谱密度和自相关函数等。
相关系数可以衡量湍流速度的时间和空间上的关联性。
功率谱密度是湍流速度信号在频域上的分布情况，可以提供流场中各个频率分量的能量大小信息。
自相关函数描述了湍流速度信号与其在过去时刻或位置的关系，可以揭示湍流的历史信息和空间结构。
五、湍流的流场相关量湍流的流场相关量包括湍流能量、湍流涡旋和湍流涡漩等。
湍流能量是描述湍流流场激烈程度的重要参数，并可通过湍流能量谱来分析。
湍流涡旋是湍流场中旋转的局部区域，其大小和形态决定了湍流流场的结构特征。
湍流涡漩是流场中的三维涡旋结构，与湍流动力学和能量传递等诸多现象密切相关。
六、湍流结构的数值模拟湍流结构的数值模拟是研究湍流特性的重要手段之一。
通过数值方法，可以细致地模拟湍流的运动，分析湍流的统计特性。
常用的数值模拟方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均（RANS）等。
这些方法在不同问题和尺度下都有其应用领域，可以为湍流研究提供定量的数值数据。
七、湍流的应用湍流的研究对于气象学、气候学和地球科学等领域具有重要意义。
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。
第八章大气湍流结构2
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。
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
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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
17
风速、温度、湿度的无量纲化廓线函数
κz ∂u
z = ϕm ( ) u* ∂z L
（13）
κ z ∂θ z = ϕh ( ) θ* ∂z L
11
大气边界层的高度： 定量标志为地转风出现的高度 赤道逆温底层
12
一、近地面层的特点
1、近地面层为常通量层 2、气象要素随高度变化比边界层中上部显 著 3、运动尺度小，可以忽略柯氏力，风向随 高度几乎不变
13
Байду номын сангаас
二、近地面层的垂直输送通量——常通量
Fm = ρ0 u ′w′ = − ρ0u*2
湍流动量输送通量
（14）
κ z ∂q
z = ϕq ( ) q* ∂z L
（15） （16）
廓线函数φm、 φh、 φq
18
应用
19
20
思考题
• 查阅相关资料，介绍Ri数和湍流相似理论的 的应用进展
21
参考文献
• 范绍佳，林文实等，理查逊数Ri在沿海近地面层大气稳定度分类中的 应用，第七届全国大气环境学术会议论文集/大气环境科学技术进展 ， 19981101 • 毕雪岩等，无量纲廓线函数对稳定度分类的影响 ，中国环境科学， 2003年6期 • 杨帅 高守亭，湿饱和流中的Richardson数和不稳定的研究，地球物 理学报，2007年2期，http://10.2.29.66:85/Visitnew.asp • http://10.2.29.66:85/Visitnew.asp（维普信息资源系统 ) • http://wf.lgdx.mtn/WFRS_Mirror/default.htm(万方数据资源系统）
∂Et′ ∂ 1 ′ + p′ui′ + ρ ∑ (ui′2 u ′j )] +∑ [u j Et ∂t 2 i j ∂x j ∂ 2ui′ ∂u = ρ ∑ ui′Fi′+ ρν ∑∑ ( 2 )ui′ − ρ ∑∑ (ui′u ′j ) i ∂x j ∂x j i i j i j
(1)
4
• 考虑浮力作用时
（3）
6
• Rf——通量理查逊数
g
θ Rf =
′ (θ ′u3 )
（4）
∂u ′ ′ (u1u3 )( ) ∂z
• 表示位能和平均流场动能对湍流能量贡献的比值
7
2、Ri数及物理意义
应用半经验K理论
∂θ kθ g ∂z = α Ri Rf = ⋅ ⋅ k z θ ∂u 2 ( ) ∂z
1 ∂θ 1 = (γ d − γ ) θ ∂z T
T′ θ′ F3′ = g ≈ g T θ
ρg ′ (θ ′u3 ) ρ ∑ ui′Fi′ = θ i
表示浮力作用下的能量交换
(2)
5
在一定假设条件下(平均流场沿x方向，一维， 湍流水平结构均匀） 湍流的能量方程：
∂Et′ ∂ 1 ′ + [uEt′ + ρ ∑ ui′2u3 + p′ui′) ∂t ∂z 2 i ∂ 2ui′ ∂u ′ ′ = − ρ (u1u3 ) (1 − R f ) + µ ∑∑ ( 2 )ui′ ∂z ∂x j i j
第八章 大气湍流结构
大气物理教研室
魏阳春
主要内容
• 大气湍流发展和抑制的机制 ——Richardson数 • 大气边界层的廓线分布 ——近地面层
2
§1
大气湍流发展和抑制的机制 ——Richardson数
一、引起大气湍流发展和抑制的原因 1、风速切变 2、大气温度层结的稳定性
3
二、Ri数
1、考虑浮力作用的湍流能量方程 在扰动外力F的作用下，湍流能量方程为
= − ρ0 K m
∂u = const ∂z
（9）
湍流热量输送通量
Fh = c p ρ 0 θ ′w′ = −c p ρ 0u*θ* = −c p ρ 0 K h ∂θ = const ∂z
（10）
湍流水汽输送通量
Fc = ρ0 q′w′ = − ρ 0u*q* ∂q = − ρ 0 K v Lv = const ∂z