大气湍流基础
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。
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
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。
探秘大气层中的大气湍流现象
1.引言大气层是地球上最重要的自然资源之一。
它不仅为我们提供了呼吸所需的氧气，还维持了地球的温度和气候平衡。
然而，大气层并不是一个静态的系统，而是充满着各种各样的运动现象。
其中，大气湍流现象是大气层中最为常见和复杂的运动之一。
本文将探秘大气层中的大气湍流现象，并探讨其对气候和天气的影响。
2.什么是大气湍流现象？大气湍流现象是指大气中流体运动的一种随机、混沌和不规则现象。
它由于空气分子的热运动引起，存在于各种尺度和时间范围内。
从微观上看，大气湍流是由于分子运动的碰撞和混合，使得空气在空间中形成了无序的旋涡和涡旋。
从宏观上看，大气湍流可以表现为气流的剧烈扰动、旋转和涡旋的形成。
3.大气湍流的形成机制大气湍流的形成机制非常复杂，涉及到多种因素的相互作用。
其中，最主要的因素是地球的旋转和地表的不均匀加热。
由于地球自转的影响，空气在赤道附近的热带地区向大气层的上层流动，形成了所谓的风系。
而地表的不均匀加热，则会导致空气的温度和密度差异，从而引发湍流现象。
4.大气湍流的尺度和时间范围大气湍流的尺度和时间范围非常广泛，从小到大可以达到几厘米到数百千米的大小。
在时间上，大气湍流可以持续几分钟到几天甚至更长时间。
这种广泛的尺度和时间范围使得大气湍流成为了气象学中重要的研究对象。
5.大气湍流对天气的影响大气湍流对天气的影响非常显著。
它会导致气象现象的变化和不确定性，例如风的方向和强度的突然变化、云的形成和消散、降水的分布等。
大气湍流还可以导致风暴和气旋等极端天气事件的发生。
因此，对大气湍流的研究对于天气预报和气候变化的预测具有重要意义。
6.大气湍流对气候的影响除了对天气的影响外，大气湍流还对气候的形成和变化起着重要作用。
它可以影响气候系统中的能量和物质传输，从而调节地球的能量平衡和气候分布。
例如，大气湍流可以将热量从赤道地区向极地地区输送，使得赤道地区保持温暖，而极地地区保持寒冷。
大气湍流还可以通过将湿空气从海洋输送到陆地上，形成降水，影响降水的分布和强度。
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。
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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。
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
能量级串
Richardson Model：能量均匀级串模式， 不能刻画间பைடு நூலகம்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；
• 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，其强度非常微 弱。小湍涡以大湍涡为能源。
• 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；
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.
• （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；
• （6）连续性。湍流是一种连续介质的运动现象，因此满足 连续介质力学的基本规律，例如N-S方程；
• （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；
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。
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。
• （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）
• 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
湍流的输送/ 消耗（能量 级L. 串F. 理）查森：：
湍Big流wh如orls何hav传e li递ttle能wh量orls？,
Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
• （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;
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。