大气湍流.doc

1、大气湍流 百度百科科技名词定义中文名称：大气湍流英文名称：Atmospheric turbulence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。所属学科：大气科学(一级学科) ；动力气象学(二级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片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。编 辑 本 段 简 介流 体 的 运 动 主 要 分 为 层 流 和 湍 流 ， 层 流 属 于 规 则

2、运 动 ， 湍 流 则 属 于 不 规 则 运 动 。大 气 湍 流 是 大 气 中 一 种 不 规 则 的 随 机 运 动 ， 湍 流 每 一 点 上 的 压 强 、 速 度 、 温 度 等 物理 特 性 等 随 机 涨 落 。 大 气 湍 流 大 气 湍 流最 常 发 生 的 3个 区 域 是 ： 大 气 底 层 的 边 界 层 内 ， 对 流 云 的 云 体 内 部 ， 大 气 对 流 层 上 部 的西 风 急 流 区 内 。 大 气 湍 流 的 发 生 需 具 备 一 定 的 动 力 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

3、切 变 ； 热 力 学 条 件 是 空 气 层 必 须 具 有 一 定 的 不 稳 定 性 ， 其 中 最 有利 的 条 件 是 上 层 空 气 温 度 低 于 下 层 的 对 流 条 件 。 大 气 湍 流 运 动 是 由 各 种 尺 度 的 旋 涡 连 续分 布 叠 加 而 成 ， 旋 涡 尺 度 大 的 可 达 数 百 米 ， 最 小 尺 度 约 为 1毫 米 。 即 使 最 小 的 旋 涡 尺度 也 比 分 子 大 得 多 ， 因 此 湍 流 运 动 与 分 子 的 无 规 则 运 动 很 有 大 区 别 。 大 气 湍 流 运 动 中 伴 随 着 能 量 、 动 量 、 物 质 的

4、传 递 和 交 换 ， 传 递 速 度 远 远 大 于 层 流 ，因 此 湍 流 中 的 扩 散 、 剪 切 应 力 和 能 量 传 递 也 大 得 多 。 所 以 ， 大 气 湍 流 对 飞 行 器 的 飞 行性 能 、 结 构 载 荷 、 飞 行 安 全 的 影 响 很 大 。 飞 机 在 大 气 湍 流 中 飞 行 时 会 产 生 颠 簸 ， 影 响 乘员 的 舒 适 程 度 ， 还 会 造 成 飞 机 的 疲 劳 损 伤 。 因 湍 流 引 发 的 飞 行 事 故 时 有 发 生 ， 但 通 过 现代 技 术 可 以 有 效 避 开 强 湍 流 或 尽 量 降 低 危 害 程 度 。

5、飞 行 人 员 应 积 极 利 用 气 象 预 报 等 资 料 ，避 开 湍 流 航 线 ； 旅 客 要 养 成 全 程 系 好 安 全 带 的 习 惯 。在 大 气 运 动 过 程 中 ， 在 其 平 均 风 速 和 风 向 上 叠 加 的 各 种 尺 度 的 无 规 则 涨 落 。 这种 现 象 同 时 在 温 度 、 湿 度 以 及 其 他 要 素 上 表 现 出 来 。 编 辑 本 段 区 域 大 气 底 层 的 边 界 层 内 。 大 气 湍 流对 流 云 的 云 体 内 部 。 大 气 对 流 层 上 部 的 西 风 急 流 区 内 。 编 辑 本 段 条 件大 气 湍 流 的 发

6、 生 需 具 备 一 定 的 动 力 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 ； 热 力 学 条 件 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 ， 上 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 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 。 其

7、 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 ； 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 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 ， 因而 湍 流 涡 旋 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 到 数 百 米 ； 而 最 小 尺 度 约 为 1毫 米 。 编 辑 本 段 简 史对

8、 湍 流 的 研 究 已 有 近 百 年 的 历 史 ， 1839年 ， G.汉 根 在 实 验 中 首 次 观 察 到 由 层 流到 湍 流 的 转 变 。 1883年 ， O.雷 诺 又 在 圆 管 水 流 实 验 中 找 出 了 层 流 过 渡 到 湍 流 的 条 件 。在 理 论 研 究 方 面 ， 1895年 雷 诺 曾 把 瞬 时 风 速 分 解 为 平 均 风 速 和 叠 加 在 上 面 的 湍 流 脉 动速 度 两 部 分 ， 得 到 湍 流 运 动 方 程 组 (雷 诺 方 程 )， 提 出 湍 流 粘 性 力 （ 雷 诺 应 力 ） 的 概 念 。1925年 ， L.普 朗

9、 特 在 这 基 础 上 提 出 了 混 合 长 度 的 概 念 ， 得 出 边 界 层 内 风 速 随 高 度 变 化的 规 律 ： 在 对 数 坐 标 中 呈 线 性 增 长 。 在 大 气 边 界 层 中 ， 此 结 果 被 许 多 实 验 所 证 实 。1915年 ， G.I.泰 勒 提 出 了 研 究 大 气 湍 流 微 结 构 的 统 计 理 论 。 1920年 ， L.F.理 查 孙 研 究了 大 气 温 度 分 布 对 湍 流 的 影 响 。 1941年 ， A.H.科 尔 莫 戈 罗 夫 又 提 出 了 局 地 各 向 同 性 理论 ， 以 上 这 些 理 论 ， 合 理 地

10、 解 释 了 湍 流 中 的 微 结 构 。 编 辑 本 段 规 律雷 诺 实 验 证 实 ， 对 于 粘 滞 流 体 ， 湍 流 的 发 生 取 决 于 流 场 的 雷 诺 数 Re =/（ 其 中 、 分 别 为 流 体 的 运 动 粘 度 和 特 征 速 度 ,为 特 征 长 度 ） 。 雷 诺 数 为 作 用 于 流 体 上 惯 性 力 和粘 性 力 的 无 量 纲 比 值 。 当 流 体 中 大 气 湍 流发 生 扰 动 时 ， 惯 性 力 的 作 用 是 使 扰 动 从 主 流 中 获 取 能 量 ； 而 粘 性 力 的 作 用 则 是 使 扰 动受 到 阻 尼 。 但 大 雷 诺

11、 数 只 是 湍 流 发 生 的 必 要 条 件 。 大 气 湍 流 的 发 生 还 须 具 备 相 应 的 动 力学 和 热 力 学 的 条 件 。 风 速 切 变 是 扰 动 产 生 的 动 力 因 素 ， 当 风 速 切 变 足 够 大 时 ， 可 使波 动 不 稳 定 ， 形 成 湍 流 运 动 。 温 度 分 布 不 均 匀 ， 是 影 响 大 气 湍 流 的 热 力 因 素 。 当 温 度 的水 平 分 布 不 均 一 ， 且 斜 压 性 不 稳 定 时 （ 见 大 气 动 力 不 稳 定 性 ） ， 大 气 扰 动 较 强 ， 水 平风 速 及 其 切 变 很 大 ， 这 些 因

12、 素 都 对 湍 流 的 生 成 和 发 展 有 利 ， 晴 空 湍 流 经 常 发 生 在 这 种 区域 里 。 温 度 的 铅 直 分 布 对 大 气 湍 流 的 影 响 ， 取 决 于 大 气 静 力 稳 定 度 。 在 自 动 对 流 不 稳 定的 条 件 下 ， 湍 流 的 生 成 和 发 展 很 强 烈 。一 般 可 用 理 查 孙 数 (R)判 别 稳 定 度 对 湍 流 的 作 用 ： 108-01其 中 为 位 温 , 为 重 力加 速 度 , /z 和 /z 为 位 温 和 特 征 风 速 的 铅 直 切 变 ， 1/?/z 为 大 气 铅 直 稳 定 度 。 理 查 孙

13、数 是浮 力 作 功 产 生 的 湍 流 能 量 与 雷 诺 应 力 作 功 产 生 的 湍 流 能 量 的 无 量 纲 比 值 。 在 不 稳 定 条 件下 ， R0， 湍 流 运 动 将 反 抗 浮 力 作 负 功而 消 耗 一 部 分 湍 流 能 量 。 当 R 数 达 到 临 界 值 时 ， 湍 流 将 完 全 受 到 抑 制 ， 转 变 为 层 流 或波 动 。 临 界 理 查 孙 数 大 致 在 0.25 1之 间 ,准 确 数 值 还 需 进 一 步 用 实 验 证 实 。 R 接 近 零时 为 中 性 大 气 ， 此 时 湍 流 得 到 发 展 或 受 抑 制 ， 还 要 考

14、虑 其 他 物 理 因 子 后 才 能 断 定 。 编 辑 本 段 尺 度 谱大 气 湍 流 有 很 宽 的 尺 度 谱 。 近 地 面 层 风 速 脉 动 的 能 谱 函 数 充 分 显 示 了 这 一 点 ， 图 中为 涡 旋 频 率 ， 为 时 间 ， 为 能 谱 密 度 。 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

15、宽 。 大 气 湍 流 扩 散 系 数 的数 值 和 研 究 对 象 的 尺 度 有 关 。 例 如 ， 在 考 虑 污 染 物 随 风 飘 移 的 扩 散 过 程 时 ， 飘 移 的 距 离越 ， 大 尺 度 湍 流 的 影 响 越 大 。 从 湍 流 扩 散 系 数 K 和 湍 流 尺 度 的 关 系 中 ， 可 以 看 出 K值 随 湍 流 尺 度 的 变 化 从 1.610米 /秒 增 加 到 10米 /秒 ， 跨 越 了 12个 数 量 级 。 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

16、 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

17、 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210 10米 /秒 ， 横 向 湍 流 扩 散 系 数 则 为 10 10米 /秒 。 编 辑 本 段 能 量 谱大 气 湍 流 涡 旋 能 量 谱 可 以 分 做 大 尺 度 的 含 能 区 和 中 小 尺 度 的 平 衡 区 两 个 谱 段 ， 在 平衡 区 内 湍 流 从 上 一 级 涡 旋 得 到 的 能 量 ， 等

18、于 往 下 一 级 传 输 的 能 量 与 分 子 粘 性 耗 散 能量 之 和 。 平 衡 区 又 可 分 做 两 个 亚 区 ： 不 考 虑 分 子 粘 性 耗 散 的 惯 性 区 和 分 子 粘 性 耗 散 区 。在 一 般 情 况 下 ， 涡 旋 能 量 总 是 由 大 尺 度 涡 旋 向 小 尺 度 涡 旋 方 向 传 递 的 。 在 逐 级 传 输的 过 程 中 ， 外 部 条 件 的 影 响 逐 渐 衰 退 ， 逐 渐 失 去 大 尺 度 涡 旋 各 向 异 性 的 性 质 ， 而 趋 于 小尺 度 涡 旋 各 向 同 性 的 性 质 ， 所 以 在 实 际 大 气 中 ， 湍

19、流 基 本 上 是 局 地 各 向 同 性 的 。 湍 流 的局 地 各 向 同 性 可 以 根 据 量 纲 分 析 ， 用 一 些 统 计 函 数 表 示 ， 例 如 科 尔 莫 戈 罗 夫 引 进 的 湍 流结 构 函 数 ： 109-01以 平 均 风 速 的 方 向 为 轴 方 向 ， 为 方 向 两 点 的 距 离 ； 为 方 向 的湍 流 速 度 ,为 或 方 向 的 湍 流 速 度 ,方 括 号 上 的 长 横 线 代 表 统 计 平 均 。 B()和 B()分 别 为沿 平 均 风 速 方 向 和 垂 直 于 平 均 风 速 方 向 的 结 构 函 数 。 科 尔 莫 戈 罗

20、夫 得 到 ： 惯 性 区 （ 即 分子 粘 性 耗 散 可 忽 略 的 谱 区 ） 的 湍 流 结 构 函 数 和 距 离 的 2/3次 方 成 正 比 。 大 气 边界 层 湍 流 区 和 晴 空 湍 流 区 的 观 测 结 果 ， 证 实 了 大 气 湍 流 确 是 局 地 各 向 同 性 的 。 研 究 声波 、 光 波 和 无 线 电 波 在 湍 流 大 气 中 的 一 些 传 播 规 律 时 ， 三 分 之 二 次 方 定 律 得 到 很 好 的证 实 。 问 题 的 核 心 是 确 定 局 地 各 向 同 性 大 气 湍 流 的 涡 旋 尺 度 上 限 。 很 多 学 者 分 析 了 近 地面 层 观 测 资 料 之 后 ， 认 为 该 尺 度 略 低 于 湍 流 涡 旋 所 在 的 空 气 层 与 地 面 间 的 距 离 。