大气湍流
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。
大气湍流对红外的影响_概述及解释说明
大气湍流对红外的影响概述及解释说明1. 引言1.1 概述大气湍流是指大气中存在的一种不规则、无序而且具有随机性的气体运动现象，其对红外辐射的传输产生了重要影响。
红外辐射在军事、航空航天、气象等领域应用广泛，因此了解大气湍流对红外辐射传输的影响机制对于优化红外成像系统的设计和提高其性能至关重要。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对大气湍流对红外辐射的影响进行深入研究。
首先，我们将介绍大气湍流概念及其特征，并讨论导致湍流形成的因素。
接着，我们将探讨红外辐射的基本特性以及在不同波长区域和应用领域中所具有的潜力。
然后，我们将说明红外传感器工作原理以及其在红外成像系统中的应用。
通过以上内容的铺垫，我们将详细介绍目前关于大气湍流对红外辐射影响机制研究的最新进展，包括温度涨落效应、折射率涨落效应以及散焦与模糊效应等方面，并总结当前存在的挑战和问题。
最后，我们将对现有解决方案进行分析并评估其优缺点，并展望未来研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面概述大气湍流对红外辐射的影响，并深入解释其影响机制。
通过对国内外相关研究成果的综述和分析，可以为红外成像系统的设计和性能提升提供参考，并为未来相关研究提出新的创新思路和方向。
2. 大气湍流概述:2.1 定义与特征:大气湍流是指在大气层中存在的一种不规则运动现象，具有随机性和不可预测性。
它是由于大气中温度、湿度、风向等因素的变化引起的。
大气湍流通常表现为空气的快速混合和乱流运动，导致空间和时间上的非均匀性。
大气湍流具有以下主要特征：- 无规则性: 大气湍流运动没有明确的周期性或规律性，其运动模式会不断变化。
- 尺度范围广: 大气湍流可以出现在非常小的尺度（例如微观颗粒周围）到非常大的尺度（例如行星尺度）之间。
- 能量耗散: 大气湍流会使空气能量从大尺度逐渐转移到小尺度，并最终以热能形式耗散掉。
2.2 影响因素:多个因素会影响大气湍流的生成和发展，其中包括：- 空间和时间上的温度差异: 温度差异会导致空气密度不均匀，从而产生湍流运动。
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。
大气湍流对建筑物热舒适性的影响与优化设计
大气湍流对建筑物热舒适性的影响与优化设计前言：在如今城市化进程迅猛发展的背景下，人们对建筑物的热舒适性要求越来越高。
而大气湍流作为影响建筑物热舒适性的重要因素之一，对于建筑设计和使用具有重要意义。
本文将探讨大气湍流对建筑物热舒适性的影响，并探索优化设计的方法。
一、大气湍流与建筑物热舒适性的关系1.大气湍流的定义和特征大气湍流是指空气在不同密度和温度下形成的不稳定气流，具有强烈的无序性和突发性。
大气湍流的特征包括速度波动、湍流能量耗散、涡旋形成等。
2.大气湍流对建筑热环境的影响大气湍流会在建筑物周围产生空气对流和传热，直接影响建筑物的热环境和热舒适性。
对建筑物外立面而言，大气湍流可导致热损失或热收益，影响建筑物的能耗和室内温度分布。
对室内空气而言，大气湍流会影响内部气流的传递和混合，进而影响热舒适感。
二、大气湍流对建筑物热舒适性的影响机制1.建筑物外立面的热损失与热收益在大气湍流的作用下，建筑物外立面可能发生形状和大小不一的湍流流动，从而导致热交换的增加。
对于隔热材料较好的建筑物而言，大气湍流可导致热损失的增加；对于采暖设备辐射热收益较大的建筑物而言，大气湍流可导致热收益的增加。
2.室内气流的传递和混合大气湍流会使室内产生湍流气流，加速热量的传输和混合。
这一现象可能导致室内温度分布不均匀，一些区域过热，另一些区域则较为寒冷，影响人们的热舒适感。
三、优化设计方法1.建筑物外立面设计优化为了减小大气湍流对建筑物外立面的热交换影响，可以通过优化材料选择、外墙设计等方式进行改善。
例如，采用隔热性能好的材料，增加外墙保温层的厚度等。
2.室内空气流动控制通过设计空气流动导向装置，调整室内空气流动路径，可以减小大气湍流对室内热舒适性的影响。
例如，在通风口设置风道和风口导流板，有助于引导空气流动。
3.热辐射利用和控制对于采暖设备辐射热收益较大的建筑物而言，通过合理布局采暖设备，可最大化利用大气湍流带来的热收益。
例如，合理设置辐射热源和热辐射传热面，以增加热辐射的覆盖范围。
大气湍流对气象观测的影响分析
大气湍流对气象观测的影响分析在气象学领域，气象观测是获取大气状态和变化信息的重要手段，对于天气预报、气候研究以及各种与大气相关的活动都具有至关重要的意义。
然而，大气湍流这一复杂的大气现象，给气象观测带来了诸多挑战和影响。
大气湍流，简单来说，就是空气在运动过程中表现出的不规则、紊乱的流动状态。
它使得大气中的各种物理量，如温度、湿度、风速和风向等，在时间和空间上发生快速且无规律的变化。
首先，大气湍流对温度观测产生显著影响。
由于湍流的存在，热量在大气中的传递变得极为复杂和不稳定。
原本较为均匀的温度场被打乱，导致观测到的温度值出现频繁的波动。
这不仅增加了测量的误差，还使得对温度变化趋势的准确判断变得困难。
在地面气象观测中，传感器所接触到的空气可能在瞬间来自不同的高度和方向，从而带来温度的突变。
而在高空观测中，湍流更是使得温度随高度的变化规律变得模糊不清，影响了对大气热力结构的准确研究。
湿度观测同样受到大气湍流的干扰。
大气中的水汽分布本就不均匀，再加上湍流的作用，使得水汽在短时间内迅速混合和重新分布。
这导致湿度传感器所测量到的湿度值出现快速的起伏，降低了观测数据的准确性和可靠性。
而且，湍流还可能将原本干燥的空气迅速带入观测区域，或者将湿润的空气带走，从而造成湿度观测的偏差。
风速和风向的观测也深受大气湍流的影响。
湍流使得风的流动方向和速度不断变化，形成了所谓的“阵风”和“乱流”。
这使得风速计和风向标所测量到的数值具有较大的瞬时波动，难以准确反映平均风速和风向。
在一些强湍流的情况下，甚至可能出现风向在短时间内发生大幅度变化的情况，给气象观测和分析带来极大的困扰。
大气湍流还会对气压观测产生一定的影响。
虽然气压的变化相对较为缓慢，但湍流引起的空气垂直运动和混合，可能导致局部气压的快速调整。
这种局部气压的波动在常规的气压观测中可能被误认为是大范围的气压变化，从而影响对大气环流和天气系统的分析。
除了对单个气象要素的直接观测产生影响外，大气湍流还会通过干扰观测仪器的性能间接影响气象观测。
大气湍流的形成与扩散
大气湍流的形成与扩散大气湍流是指空气在水平或垂直方向上，速度和方向不断变化的现象。
它是大气中的一种运动模式，对于气候和天气的形成与变化有着重要的影响。
本文将探讨大气湍流形成的原因以及它的扩散机制。
一、大气湍流形成的原因1. 温度差异引起的湍流大气中存在着不同温度的气团。
当冷空气与热空气相遇时，由于密度不同，会产生温度差异引起的湍流。
这种温度差异可能是由地表不同区域的地形、海洋和陆地的交界处以及人类活动引起的。
2. 强风的湍流强风是引起湍流的另一个重要因素。
当大气中存在高速风时，风与障碍物相互作用，会形成湍流。
例如，当风吹过山脉时，会产生山脉波浪，并引发湍流现象。
3. 大气不稳定引起的湍流大气层中的不稳定现象也是湍流形成的原因之一。
当大气中存在温度递减层、湿度递增层以及气压梯度时，会引发湍流。
这种不稳定的大气条件会导致气流上升和下沉，形成湍流。
二、大气湍流的扩散机制1. 对流扩散对流扩散是大气湍流中最为常见的扩散机制之一。
当气团由于温度变化或上升运动而产生湍流时，湍流中的气团会相互混合和扩散。
这种对流扩散是地球上形成云、降水和气候变化的重要机制。
2. 局地扩散局地扩散是指湍流在地表附近的水平扩散现象。
当地表的温度和地表特征存在差异，例如城市和农田的温度差异，会在地表层产生湍流，并通过湍流扩散来均匀化空气的温度和湿度。
3. 垂直扩散垂直扩散是指大气湍流在垂直方向上的扩散现象。
当大气中存在稳定或不稳定的温度层结时，会引起垂直湍流的形成。
这种垂直湍流可以将气体和颗粒物质从地表迅速混合和扩散到大气中。
三、大气湍流的影响与应用1. 气象预报和气候模拟了解大气湍流的形成和扩散机制，对气象预报和气候模拟具有重要意义。
湍流的存在会影响大气中的温度、湿度和风速分布，进而影响天气和气候的变化。
通过对湍流的研究，科学家们可以更好地预测气象灾害和气候变化趋势。
2. 工程建设和能源利用大气湍流对于工程建设和能源利用也有一定的影响。
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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
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。
大气湍流模拟器
大气湍流的定义(atmospheric turbulence ) 大气湍流的定义某种统计规律。
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。
大气湍流对激光传输的影响
• 当湍流尺度大于光斑直径时，光束将偏离其传输 路径，产生光束漂移现象。
• 当湍流尺度小于光斑直径时，光斑中心破碎，出 现散斑、光强的随机起伏以及光束扩散等现象。
激光通过强湍流：
原始高斯光束
高斯光束传输截面
大气湍流影响后的光束
激光通过弱湍流：
原始高斯光束
高斯光束传输截面
大气湍流影响后的光束
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。
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。