邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)

1、邊界層氣象學(xué)Boundary Layer Meteorology,參考書目,1、盛裴軒 等，大氣物理學(xué)（其中的第三篇 大氣邊界 層物理），北京大學(xué)出版社，2003. 2、美 Rolland B. Stull著，徐靜琦，楊殿榮譯， 邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論，青島海洋大學(xué)出版社，1991. 3、T R Oke, Boundary Layer Climates,1987,課程目的與教學(xué)基本要求,邊界層氣象學(xué)是研究大氣邊界層的科學(xué)。它以觀測(cè)事實(shí)、實(shí)驗(yàn)室模擬、數(shù)值模擬等為出發(fā)點(diǎn)，通過半經(jīng)驗(yàn)理論、相似理論及統(tǒng)計(jì)理論等，對(duì)邊界層大氣的湍流運(yùn)動(dòng)特性、能量收支、物質(zhì)輸送和交換等方面的規(guī)律進(jìn)行研究。它是大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)

2、等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程。 基本要求的三個(gè)檔次，即掌握、熟悉、了解,考察與考試,1、練習(xí)題（可選，關(guān)于湍流譜） 2、期中測(cè)驗(yàn) 40 （開卷） 3、期末考試 60 （開卷）,框 架,經(jīng)典流體力學(xué)描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，大氣運(yùn)動(dòng)也滿足這些規(guī)律。 大氣動(dòng)力學(xué)有其自身特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、層結(jié)現(xiàn)象、湍流運(yùn)動(dòng)、非單一氣體、尺度分級(jí)等。 氣候動(dòng)力學(xué)、中小尺度動(dòng)力學(xué)（按運(yùn)動(dòng)尺度分類） 大氣動(dòng)力學(xué)大氣熱力學(xué)動(dòng)力氣象學(xué) 大氣動(dòng)力學(xué)湍流理論大氣湍流 大氣動(dòng)力學(xué)大氣熱力學(xué)大氣湍流邊界層氣象學(xué) 大氣動(dòng)力學(xué)相變理論（云雨雷電）云動(dòng)力學(xué) 大氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境科學(xué)污染氣象學(xué)或環(huán)境氣象學(xué) 大氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、中尺度數(shù)值模式、 大

3、氣環(huán)流模式,內(nèi)容介紹,第一章 大氣湍流基礎(chǔ) 第二章 邊界層平均特征 第三章 大氣湍流控制方程及其閉合理論 第四章 近地面層及其廓線規(guī)律 第五章 中性大氣邊界層 第六章 對(duì)流邊界層（混合層） 第七章 穩(wěn)定邊界層 第八章 非均一下墊面對(duì)邊界層的影響 第九章 大氣邊界層觀測(cè)及實(shí)驗(yàn),第一章 大氣湍流基礎(chǔ),一、大氣湍流一般特征 二、湍流統(tǒng)計(jì)描述 三、湍流控制方程(第三章詳細(xì)講述) 四、kolmogorov局地各向同性湍流理論,一、大氣湍流,注：物理學(xué)家，海森堡（Heisenberg）,馮.卡門(Von Karman) Von Karman 1961年曾在一次流體力學(xué)會(huì)議的開幕詞中說：“當(dāng)我最終去見上帝時(shí)

4、，我祈求的第一個(gè)新發(fā)現(xiàn)就是揭示湍流的奧妙！”,1、湍流和普遍存在的復(fù)雜現(xiàn)象,湍流：一種普遍而及其復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，也稱紊流、亂流 大氣湍流：復(fù)雜的大氣運(yùn)動(dòng)形態(tài) 復(fù)雜性：時(shí)、空不規(guī)則，多尺度（macro-, meso-, micro-) scale,圖8.1 熱線風(fēng)速計(jì)在大氣中測(cè)量的風(fēng)速記錄 1992年8月13日在戈壁（甘肅），使用超聲風(fēng)速儀、白金絲溫度儀和Layman-濕度表觀測(cè)得到的資料，以及由這些記錄計(jì)算得到的瞬時(shí)風(fēng)向。,其他復(fù)雜現(xiàn)象： 股票指數(shù)、地震記錄 DNA序列、心腦電圖 海岸線、氣候序列 。 不規(guī)則性、多尺度性 注：你知道分形幾何嗎？ 你知道混沌嗎？,法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德布勞特(B.

5、B. Mandelbrot)經(jīng)歷了不平凡的潛心研究，于1975年出版了他的關(guān)于分形幾何的專著分形、機(jī)遇和維數(shù)，標(biāo)志著分形理論的誕生,Mandelbrot 集 ,整數(shù)維 分?jǐn)?shù)維 自相似,Fractal Geometry：破碎、不規(guī)則幾何學(xué),颶風(fēng),子夜的吉他,黑暗中 月兒離我這么近 仿佛能夠親吻到 我的額頭 孫博文(1999) ,你可以在計(jì)算機(jī)上求解上述方程，并繪制x(n)u圖形,線性系統(tǒng),非線性系統(tǒng),3.992000 9.253256E-01 3.993000 1.243942E-02 3.994000 9.865483E-01 3.995000 1.466527E-01 3.996000 4.

6、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 蝴蝶效應(yīng) 氣候可預(yù)報(bào)性問題,軌跡可無限接近，但永不相交,天地渾然如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地,2、達(dá)芬奇筆下的湍流,人類最早對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的觀察和記錄：15世紀(jì)意大利畫家達(dá)芬奇畫筆下的湍流，并解釋為： 烏云被狂風(fēng)卷散撕裂， 沙粒從海灘上揚(yáng)起， 樹木彎下了腰,3、雷諾圓管實(shí)驗(yàn)（粘性不可壓縮流體）,雷諾于1883年進(jìn)行圓管實(shí)驗(yàn)：圓管內(nèi)的粘性流體在不同速度U、

7、不同直徑D、不同粘性的（運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)）流體進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定于參數(shù)UD/ ,1908年索末菲定義為： ReUD/ 。實(shí)驗(yàn)表明： Re2000，湍流（Turbulent flow） 臨界雷諾數(shù)：Rec=2000,地球大氣雷諾數(shù)估計(jì)： 對(duì)于地球大氣，特征長(zhǎng)度一般可取離地面高度，若高度僅取1m，水平速度取0.1m/s，=1.46105m2/s，則此時(shí)大氣的雷諾數(shù)已超過6000。可見大氣中的雷諾數(shù)一般都是很高的，大氣運(yùn)動(dòng)特別是邊界層內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)具有完全湍流運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。,雷諾數(shù)反應(yīng)了什么？,4、大氣湍流現(xiàn)象及影響,流體運(yùn)動(dòng)廣泛存在，湍流相對(duì)常見，而層流比較少，尤其是在大氣中。 星星閃爍

8、、湍流傳熱、湍流對(duì)污染物的輸送、燃燒中的湍流混合、晴空湍流（Clear Atmospheric Turbulence，CAT）、湍流誘發(fā)振動(dòng)對(duì)橋梁等建筑物的影響。湍流現(xiàn)象與航空航天、水利、氣象、化工、交通等眾多領(lǐng)域有關(guān)，是自然科學(xué)研究的基本問題之一。,5、湍流定義,從雷諾實(shí)驗(yàn)至今已100多年，期間湍流研究雖取得不少成果，但湍流如何產(chǎn)生、其發(fā)展變化行為如何等實(shí)質(zhì)問題，依然沒有大的進(jìn)展。科學(xué)界至今沒有給出湍流的嚴(yán)格的科學(xué)定義。曾出現(xiàn)過的定義：,Taylor & Von Karman (1973): Turbulence is an irregular motion which in general

9、 makes its appearance in fluidgas or liquid.即：湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。,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 statistically distinct average value can be discerned. 即：湍流是流動(dòng)的不規(guī)則狀態(tài)，其中各量在時(shí)間和空間上

10、呈現(xiàn)隨機(jī)性變化，存在統(tǒng)計(jì)平均值。,周培源：湍流是一種不規(guī)則的渦旋運(yùn)動(dòng)。,Reynolds：“ sinuous motion”, “彎曲、起伏、曲折、錯(cuò)綜復(fù)雜”運(yùn)動(dòng)。,6、湍流的主要特征,湍流的概念眾說不一、至今沒有準(zhǔn)確定義，但湍流的一些主要特征，可看作湍流的現(xiàn)象學(xué)定義（descriptive definition） （1）不規(guī)則性或隨機(jī)性 傳統(tǒng)解釋：湍流完全是由于流動(dòng)系統(tǒng)的外部隨機(jī)擾動(dòng)而導(dǎo)致流動(dòng)失去穩(wěn)，并將這些擾動(dòng)放大而成。這些外部擾動(dòng)包括：隨機(jī)的外力、邊界條件和熱噪聲等，簡(jiǎn)單說，外部隨機(jī)導(dǎo)致湍流。 非線性動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：即使無外部隨機(jī)，確定的非線性動(dòng)力系統(tǒng)也可能產(chǎn)生隨機(jī)性或不可預(yù)測(cè)性，即內(nèi)隨機(jī)過

11、程。,（2）渦旋性 利用湍流的可視化，例如將幾滴顏料注入湍流運(yùn)動(dòng)的水中，表明湍流結(jié)構(gòu)可設(shè)想成由無數(shù)大小不同的湍渦組成，它們分裂、合并、拉長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)。最大的湍渦可達(dá)到整個(gè)湍流層的寬度，小的可到毫米的量級(jí)。它們相互疊加在一起，構(gòu)成湍流的渦旋結(jié)構(gòu) （3）擴(kuò)散性 湍流會(huì)引起動(dòng)量、熱量及流動(dòng)中的其他物質(zhì)快速擴(kuò)散 （4）耗散性 湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞，最后通過分子粘性耗散成為熱能 。湍流能量的產(chǎn)生和消耗不在同一個(gè)尺度上。 （5）非線性 湍流是高度非線性的。當(dāng)流動(dòng)達(dá)到某一特定狀態(tài)，例如Reynolds數(shù)或Richardson數(shù)超過某臨界值，流動(dòng)中的小擾動(dòng)就會(huì)自發(fā)地增長(zhǎng)，并很快達(dá)到一定的擾動(dòng)幅度,（6

12、）擬序結(jié)構(gòu)和相關(guān)性 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，湍流并不是完全無秩序、無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流體運(yùn)動(dòng)，而存在大尺度的相干結(jié)構(gòu)（coherent structure）。表現(xiàn)為湍流量的相關(guān)性：湍流運(yùn)動(dòng)在不同時(shí)刻或空間不同點(diǎn)的性質(zhì)不是獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)。時(shí)空間隔越大，相關(guān)越小，最終趨向零。 （7）間歇性 內(nèi)間歇：充分發(fā)展的湍流場(chǎng)中，某些物理量（高階統(tǒng)計(jì)量）并不是在時(shí)間和空間每一點(diǎn)都存在（奇異性） 外間歇：湍流區(qū)和非湍流區(qū)邊界的時(shí)空不確定性，如積云與藍(lán)天之間的分界面。,（8）標(biāo)度律（scaling law） 所謂的標(biāo)度律、標(biāo)度對(duì)稱性（不變性），指系統(tǒng)的性質(zhì)滿足：,式中為標(biāo)度因子，、為標(biāo)度指數(shù),以后我們會(huì)推導(dǎo)這個(gè)公式！,7、研究

13、湍流的幾種方法,統(tǒng)計(jì)理論 K理論及各階閉合方法 相似理論,著名的泰勒（Taylor）假設(shè)： 大氣邊界層的湍流結(jié)構(gòu)應(yīng)在大范圍的空間內(nèi)進(jìn)行同步測(cè)量，但這在技術(shù)上難度很大，比較容易的是在空間一個(gè)點(diǎn)上作長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。例如在氣象鐵塔上進(jìn)行測(cè)量，它能提供邊界層空氣流經(jīng)傳感器的時(shí)間序列資料。但是，湍流運(yùn)動(dòng)是一個(gè)三維空間的問題，能否將測(cè)量的時(shí)間序列資料用來研究湍流的空間結(jié)構(gòu)呢？ 泰勒（Taylor）提出，在滿足某些條件的情況下，當(dāng)湍流流經(jīng)傳感器時(shí)，可以認(rèn)為湍流是被凍結(jié)的。其含義是，在空間上一固定點(diǎn)對(duì)湍流的觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)上等同于同時(shí)段沿平均風(fēng)方向空間各點(diǎn)的觀測(cè)，也稱為定型湍流假設(shè)。當(dāng)然湍流并不是真的被凍結(jié)，只是假設(shè)湍渦發(fā)展的時(shí)間尺度大于它被平流攜帶經(jīng)過探頭所需的時(shí)間, 泰勒假設(shè)才適用。,利用風(fēng)速 與時(shí)間t 的乘積等于該空氣團(tuán)運(yùn)行距離 的關(guān)系，可將時(shí)間序列的湍流資料轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的空間測(cè)量資料。選擇x沿主導(dǎo)風(fēng)速方向。 對(duì)于任意變量