《边界层气象学》课件：01大气湍流2014.ppt

1、边界层气象学边界层气象学Boundary Layer Meteorology王宝民王宝民南校区地环大楼南校区地环大楼 B507TEL: 13724159491 84113062Email： 参考书目参考书目 1 1、盛裴轩、盛裴轩 等，大气物理学（其中的第三篇等，大气物理学（其中的第三篇 大气边界大气边界 层物理），北京大学出版社，层物理），北京大学出版社，2003. 2003. 2 2、 美美 Rolland B. Stull Rolland B. Stull著，徐静琦，杨殿荣译，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，边界层气象学导论，青岛海洋大学出版社，1991.1

2、991. 3 3、T R Oke, Boundary Layer Climates,1987T R Oke, Boundary Layer Climates,1987课程目的与教学基本要求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收支、物质输送和交换等方面的规律进行研究。它是

3、大气科学、环境科学等领域的重要究。它是大气科学、环境科学等领域的重要基础课程。基础课程。 基本要求的三个档次，即掌握、熟悉、了解基本要求的三个档次，即掌握、熟悉、了解考察与考试考察与考试1、练习题（可选，关于湍流谱）、练习题（可选，关于湍流谱）2、期中测验、期中测验 40 （开卷）（开卷）3、期末考试、期末考试 60 （开卷）（开卷）框框 架架经典经典流体力学流体力学描述流体运动规律，大气运动也满足这些规律。描述流体运动规律，大气运动也满足这些规律。大气动力学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。单一气体

4、、尺度分级等。气候动力学、中小尺度动力学（按运动尺度分类）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、大气动力学计算流体力学数值天气预报、中尺度数值模式、 大气环流模式大气环流模式内容介绍内容介绍第

5、一章第一章 大气湍流基础大气湍流基础第二章第二章 边界层平均特征边界层平均特征第三章第三章 大气湍流控制方程及其闭合理论大气湍流控制方程及其闭合理论第四章第四章 近地面层及其廓线规律近地面层及其廓线规律第五章第五章 中性大气边界层中性大气边界层第六章第六章 对流边界层（混合层）对流边界层（混合层）第七章第七章 稳定边界层稳定边界层第八章第八章 非均一下垫面对边界层的影响非均一下垫面对边界层的影响第九章第九章 大气边界层观测及实验大气边界层观测及实验第一章第一章 大气湍流基础大气湍流基础一、大气湍流一般特征一、大气湍流一般特征二、湍流统计描述二、湍流统计描述三、湍流控制方程三、湍流控制方程(第三

6、章详细讲述第三章详细讲述)四、四、kolmogorov局地各向同性湍流理论局地各向同性湍流理论一、大气湍流一、大气湍流注：物理学家，海森堡（注：物理学家，海森堡（Heisenberg）,冯冯.卡门卡门(Von Karman) Von Karman 1961年曾在一次流体力学会议的开幕词中说：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！流的奥妙！”1、湍流和普遍存在的复杂现象、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、乱流湍流：一种普遍而及其复杂的流体运动形态，

7、也称紊流、乱流大气湍流：复杂的大气运动形态大气湍流：复杂的大气运动形态复杂性：时、空不规则，多尺度（复杂性：时、空不规则，多尺度（macro-, meso-, micro-) scale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：其他复杂现象：股票指数、地震记录股票指数、地震记录DNA序列、心脑电图序列、心脑电图海岸线、气候序列海岸线、气候序列。不规则性、多尺度性不规则性、多尺度性注：注：你知道分形几何吗？你知道分形几何吗？你知道混沌吗？你知道混沌

8、吗？法国数学家曼德布劳特法国数学家曼德布劳特(B. B. Mandelbrot)(B. B. Mandelbrot)经历了不平凡的潜心研究，于经历了不平凡的潜心研究，于19751975年出版了年出版了他的关于分形几何的专著，标志着分形理论他的关于分形几何的专著，标志着分形理论的诞生的诞生 Mandelbrot 集整数维整数维分数维分数维自相似自相似Fractal Geometry：破碎、不规则几何学飓风飓风子夜的吉他子夜的吉他黑暗中黑暗中月儿离我这么近月儿离我这么近仿佛能够亲吻到仿佛能够亲吻到我的额头我的额头孙博文孙博文(1999)你可以在计算机上求解上述方程，并绘制你可以在计算机上求解上述方

9、程，并绘制x(n)u图形图形线性系统线性系统非线性系统非线性系统 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？初值敏感性初值敏感性蝴蝶效应蝴蝶效应气候可预报性问题气候可预报性问题轨迹可无限接近，但永不相交轨迹可无限接近，但永不相交天地浑然如鸡子，盘

10、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、达芬奇笔下的湍流人类最早对湍流运动现象的观察人类最早对湍流运动现象的观察和记录：和记录：15世纪意大利画家达芬世纪意大利画家达芬奇画笔下的湍流，并解释为：奇画笔下的湍流，并解释为：乌云被狂风卷散撕裂，乌云被狂风卷散撕裂，沙粒从海滩上扬起，沙粒从海滩上扬起，树木弯下了腰树木弯下了腰3、雷诺圆管实验（粘性不可压缩流体）、雷诺圆管实验（粘性不可压缩流体）雷诺于雷诺于1883年进行圆管实验：圆管年进行圆管实验：圆管内的粘性流体在不同速度内的粘性流体在不同速度U、不同、不同直径直径D、不同粘性、不同粘性的（运动学粘的（运动学粘性系数）

11、流体进行大量实验，发现性系数）流体进行大量实验，发现流体运动形态决定于参数流体运动形态决定于参数UD/ ,1908年索末菲定义为：年索末菲定义为：ReUD/ 。实验表明：。实验表明：Re2000，湍流（，湍流（Turbulent flow）临界雷诺数：临界雷诺数：Rec=2000地球大气雷诺数估计：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，水平速度取水平速度取0.1m/s，=1.46 10 5m2/s，则此时大气的雷诺数已超，则此时大气的雷诺数已超过过6000。可见大气中的雷诺数一般都是很高的，大气运动特别

12、是。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。边界层内的大气运动具有完全湍流运动的性质。 雷诺数反应了什么？雷诺数反应了什么？4、大气湍流现象及影响、大气湍流现象及影响流体运动广泛存在，湍流相对常见，而层流体运动广泛存在，湍流相对常见，而层流比较少，尤其是在大气中。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（送、燃烧中的湍流混合、晴空湍流（Clear Atmospheric Turbulence，CAT）、湍流诱）、湍流诱发振动对桥梁等建筑物的影响。湍流现象发振

13、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众多领域有关，是自然科学研究的基本问题之一。题之一。5、湍流定义、湍流定义从雷诺实验至今已从雷诺实验至今已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。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：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：Taylor & Von Karman

14、(1973): Turbulence is an irregular motion which in general makes its appearance in fluidgas or liquid.即：即：湍流是流体的不规则运动。湍流是流体的不规则运动。Hinze：Turbulence fluid motion is an irregular condition of flow in which the various quantities show a random variation with time and space coordinates, so that statistic

15、ally distinct average value can be discerned. 即：湍流是流动的不规则状态，其中各即：湍流是流动的不规则状态，其中各量在时间和空间上呈现随机性变化，存在统计平均值。量在时间和空间上呈现随机性变化，存在统计平均值。周培源周培源：湍流是一种不规则的涡旋运动。：湍流是一种不规则的涡旋运动。Reynolds：“ sinuous motion”, “弯曲、起伏、曲折、错综复杂弯曲、起伏、曲折、错综复杂”运运动。动。6、湍流的主要特征、湍流的主要特征湍流的概念众说不一、至今没有准确定义，但湍流的一些主要湍流的概念众说不一、至今没有准确定义，但湍流的一些主要特征，

16、可看作湍流的现象学定义（特征，可看作湍流的现象学定义（descriptive definition）（1）不规则性或随机性）不规则性或随机性传统解释：湍流完全是由于流动系统的外部随机扰动而导致流传统解释：湍流完全是由于流动系统的外部随机扰动而导致流动失去稳，并将这些扰动放大而成。这些外部扰动包括：随机动失去稳，并将这些扰动放大而成。这些外部扰动包括：随机的外力、边界条件和热噪声等，简单说，的外力、边界条件和热噪声等，简单说，外部随机外部随机导致湍流。导致湍流。非线性动力学观点：即使无外部随机，确定的非线性动力系统非线性动力学观点：即使无外部随机，确定的非线性动力系统也可能产生随机性或不可预测性

17、，即也可能产生随机性或不可预测性，即内随机过程内随机过程。（2）涡旋性）涡旋性利用湍流的可视化，例如将几滴颜料注入湍流运动的水中，表明利用湍流的可视化，例如将几滴颜料注入湍流运动的水中，表明湍流结构可设想成由无数大小不同的湍涡组成，它们分裂、合并、湍流结构可设想成由无数大小不同的湍涡组成，它们分裂、合并、拉长、旋转。最大的湍涡可达到整个湍流层的宽度，小的可到毫拉长、旋转。最大的湍涡可达到整个湍流层的宽度，小的可到毫米的量级。它们相互叠加在一起，构成湍流的涡旋结构米的量级。它们相互叠加在一起，构成湍流的涡旋结构 （3）扩散性）扩散性湍流会引起动量、热量及流动中的其他物质快速扩散湍流会引起动量、热

18、量及流动中的其他物质快速扩散 （4）耗散性）耗散性湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散成湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散成为热能为热能 。湍流能量的产生和消耗不在同一个尺度上。湍流能量的产生和消耗不在同一个尺度上。（5）非线性）非线性湍流是高度非线性的。当流动达到某一特定状态，例如湍流是高度非线性的。当流动达到某一特定状态，例如Reynolds数或数或Richardson数数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度长，并很快达到一定的扰动幅度 （6）拟序结构和相关性）拟序结构和相关性实验

19、发现，湍流并不是完全无秩序、无内部结构的流体运动，而实验发现，湍流并不是完全无秩序、无内部结构的流体运动，而存在大尺度的相干结构（存在大尺度的相干结构（coherent structure）。表现为湍流量的）。表现为湍流量的相关性：湍流运动在不同时刻或空间不同点的性质不是独立的，相关性：湍流运动在不同时刻或空间不同点的性质不是独立的，而是相互关联。时空间隔越大，相关越小，最终趋向零。而是相互关联。时空间隔越大，相关越小，最终趋向零。（7）间歇性）间歇性内间歇：充分发展的湍流场中，某些物理量（高阶统计量）并不内间歇：充分发展的湍流场中，某些物理量（高阶统计量）并不是在时间和空间每一点都存在（奇异

20、性）是在时间和空间每一点都存在（奇异性）外间歇：湍流区和非湍流区边界的时空不确定性，如积云与蓝天外间歇：湍流区和非湍流区边界的时空不确定性，如积云与蓝天之间的分界面。之间的分界面。（8）标度律（）标度律（scaling law）所谓的标度律、标度对称性（不变性），指系统的性质满足：所谓的标度律、标度对称性（不变性），指系统的性质满足：),(),(txftxf式中式中为标度因子，为标度因子，、为标度指数为标度指数以后我们会推导这以后我们会推导这个公式！个公式！7、研究湍流的几种方法、研究湍流的几种方法 统计理论统计理论 K理论及各阶闭合方法理论及各阶闭合方法 相似理论相似理论著名的泰勒（著名的泰

21、勒（Taylor）假设：）假设：大气边界层的湍流结构应在大范围的空间内进行同步测量，但这大气边界层的湍流结构应在大范围的空间内进行同步测量，但这在技术上难度很大，比较容易的是在空间一个点上作长时间的测在技术上难度很大，比较容易的是在空间一个点上作长时间的测量。例如在气象铁塔上进行测量，它能提供边界层空气流经传感量。例如在气象铁塔上进行测量，它能提供边界层空气流经传感器的时间序列资料。但是，湍流运动是一个三维空间的问题，能器的时间序列资料。但是，湍流运动是一个三维空间的问题，能否将测量的时间序列资料用来研究湍流的空间结构呢？否将测量的时间序列资料用来研究湍流的空间结构呢？泰勒（泰勒（Taylor

22、Taylor）提出，在满足某些条件的情况下，当湍流流经传）提出，在满足某些条件的情况下，当湍流流经传感器时，可以认为湍流是被冻结的。其含义是，在空间上一固定感器时，可以认为湍流是被冻结的。其含义是，在空间上一固定点对湍流的观测结果统计上等同于同时段沿平均风方向空间各点点对湍流的观测结果统计上等同于同时段沿平均风方向空间各点的观测，的观测，也称为也称为定型湍流定型湍流假设假设。当然湍流并不是真的被冻结，。当然湍流并不是真的被冻结，只是假设湍涡发展的时间尺度大于它被平流携带经过探头所需的只是假设湍涡发展的时间尺度大于它被平流携带经过探头所需的时间时间, , 泰勒假设才适用。泰勒假设才适用。 利用风

23、速利用风速 与时间与时间t 的乘积等于该空气团运行距离的乘积等于该空气团运行距离 的关系，可将的关系，可将时间序列的湍流资料转化为相应的空间测量资料。选择时间序列的湍流资料转化为相应的空间测量资料。选择x沿主导风速沿主导风速方向。方向。对于任意变量对于任意变量 ，泰勒假设可表述为：当，泰勒假设可表述为：当 时，湍流是冻结时，湍流是冻结的。因而泰勒假设的一般形式为；的。因而泰勒假设的一般形式为； utux0/ddtzwyxutv注：注：泰勒假设虽然一直没有得到严格的证明，而且此假设中实泰勒假设虽然一直没有得到严格的证明，而且此假设中实际还隐含着平稳湍流和均匀湍流的条件，风速也不宜过小，但际还隐含着平稳湍流和均匀湍流的条件，风速也不宜过小，但根据实际观测资料的验证，泰勒假设在边界层中是适用的。根据实际观测资料的验证，泰勒假设在边界层中是适用的。8、大气湍流研究简史、大气湍流研究简史苏联学派苏联学派理论指导实践理论指导实践希望：当我们最终去见上帝时，不再象希望：当我们最终去见上帝时，不再象Von Karman 那样祈求揭示湍流的奥妙！那样祈求揭示湍流的奥妙！ 下次课介绍下次课介绍（板书形式）（板书形式）湍流的统计描述湍流的统计描述kolmogorovkolmogorov局地各向同性湍流理论局地各向同性湍流理论请预习请预习“参考书目参考书目1 1”中的相关内容中的相关内容