大气湍流基础ppt课件.ppt

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1、大气湍流基础王成刚大气物理系 10 km12 km对流层对流层平流层平流层边界层边界层什么是湍流？什么是湍流？湍流现象湍流现象杂乱、随机、无序杂乱、随机、无序达芬奇描绘的湍流达芬奇描绘的湍流火山爆发火山爆发什么是湍流什么是湍流湍流的定义湍流的定义 Von.KarmanVon.Karman和和I.G TaylorI.G Taylor对湍流的定义对湍流的定义：湍流是流体和气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。相固流体相互流过时会产生湍流。 HinzeHinze对湍流的定义为对湍流的定义为：只

2、提不规则运动不全面，：只提不规则运动不全面，“湍流的湍流的各个量在时间和空间上表现出随机性。各个量在时间和空间上表现出随机性。 周培源周培源：湍流为一种不规则的涡旋：湍流为一种不规则的涡旋(eddy)(eddy)运动。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）湍流的主要特征（一） （1 1）不规则性和随机性不规则性和随机性。这是湍流的重要性质，从动力学的观点。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统计的方法； （2 2）

3、扩散性扩散性。这是湍流的另一个重要性质，如果某种流动虽然是。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散能力; ; （3 3）大大ReynoldsReynolds数性质数性质。湍流是一种在大。湍流是一种在大ReynoldsReynolds数条件下才出数条件下才出现的现象，即非线性起主导作用，现的现象，即非线性起主导作用，ReRe越高，越容易出现湍流，大越高，越容易出

4、现湍流，大气边界层的气边界层的ReRe可达到可达到10108 8，因此一般总是处于湍流状态，因此一般总是处于湍流状态; ; （4 4）涡旋涡旋。湍流中充斥着大大小小的涡旋，湍流是以高频扰动涡。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中二维的龙卷风不是湍流运动; ;湍流的主要特征（二）湍流的主要特征（二） （5 5）耗散性耗散性。湍流运动由于分子粘性作用要耗散能力，只。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

5、散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；系统），太阳辐射加热或封切变就是大气湍流的能源； （6 6）连续性连续性。湍流是一种连续介质的运动现象，因此满足。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，例如连续介质力学的基本规律，例如N-SN-S方程；方程； （7 7）流动特性流动特性。湍流不是流体的物理属性，而是流动的运。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（湍流依赖于外部条边界层湍流与尾

6、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，式处理，但是湍流的一些本质特征是普适的，寻找这些普寻找这些普遍规律正是湍流理论研究的中心任务遍规律正是湍流理论研究的中心任务；湍流的主要特征（三）湍流的主要特征（三） （8 8）记忆特性（相关性）。记忆特性（相关性）。湍流运动在不同的时刻或空间不同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

7、零；或空间距离的增大而变小，最后趋近于零； （9 9）间歇性。间歇性。内间歇：充分发展的湍流场中某些物理量（特别内间歇：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，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，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现之一，目前是湍流理论研究的前沿课题; ; （1010）猝发与拟序结构

8、猝发与拟序结构。这也是近代湍流研究的重大发现，试验。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。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（一）从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969从层流到湍流 Frisch (1995)从层流到湍流（二）从层流到湍流（二）Reynolds数 层流湍流的判据 U：特征

9、速度 L：特征尺度 UL： 外力 v：分子粘性力 v： 内力ReUL边界层气象-湍流大气边界层中湍流的成因大气边界层中湍流的成因 热力原因热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡：地面的太阳加热使暖空气热泡上升，形成湍涡。上升，形成湍涡。 动力原因动力原因：地面对气流的摩擦拖曳力产生：地面对气流的摩擦拖曳力产生风切变，常常演变为湍流。风切变，常常演变为湍流。 湍流的产生（一）：热力作用湍流的产生（二）：动力作用湍流的产生（二）：动力作用风切变风切变 实际大气观测中很难得到某个瞬间湍流的空间分布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

10、感器时间的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特定情况下,当湍流平移过传感器时当湍流平移过传感器时,可以把它看做是可以把它看做是凝固的凝固的.这样这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测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量变为相应的空间上的测量. 适用条件适用条件: 湍强不太大湍强不太大 均匀湍流均匀湍流 平稳湍流平稳湍流 泰勒假说泰勒假说大气边界层湍流风速时间序列大气边界层湍流风速时间序列(一一)大气边界层湍流风速时间序列大气边界层湍流风速时间序列(二二)湍流是随机的，复杂的湍流是随机的，复杂的但可以通过统计的方法但可以通过统计的方法来研究来研究 大气

11、边界层内的湍流总是包括很多大小不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。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（最大的边界层湍涡接近边界层的厚度（1001003000km3000km），最小湍涡尺度只有几毫米，），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。弱。小湍涡以大湍涡为能源。Big whorls have little whorls,Which feed on their velocity;And

12、little whorls have lesser whorls,And so on to viscosity大涡用动能哺育小涡，大涡用动能哺育小涡，小涡照此把儿女养活。小涡照此把儿女养活。能量沿代代旋涡传递，能量沿代代旋涡传递，但终于耗散在粘滞里。但终于耗散在粘滞里。L. F. 理查森：理查森：湍流的输送湍流的输送/ /消耗（能量级串）：消耗（能量级串）：大涡旋套小涡旋，大涡旋套小涡旋，速度有增；速度有增；小涡旋套微涡旋，小涡旋套微涡旋，粘滞乃生。粘滞乃生。能量级串能量级串Richardson ModelRichardson Model：能量均匀级串模式，不能量均匀级串模式，不能刻画间歇性；

13、能刻画间歇性； ModelModel: :在流动由层流转向发达湍流的过程在流动由层流转向发达湍流的过程中中, ,能量由大涡向小涡级串能量由大涡向小涡级串, ,从空间上看从空间上看, ,在给在给定尺度上的能量传输率不是各向同性的定尺度上的能量传输率不是各向同性的, ,而是而是间歇脉动的间歇脉动的，缺少令人信服的物理解释；，缺少令人信服的物理解释；同步级串同步级串（ScnchroScnchro Cascade Model Cascade Model）：）：在物在物理图像上反映出级串过程并不是均匀的由大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涡向小涡裂解, ,事实上含能涡只需一次裂解便事实

14、上含能涡只需一次裂解便同时形成大、中、小、微各种尺度。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。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。表示叠加在平均温度、风速上的湍流的影响。 虽然湍流运动复杂，随时间、空间的变化极不规则。但是虽然湍流运动复杂，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。雷诺平均却有一定的规律

15、性。实际瞬时风速实际瞬时风速 湍湍 流流 部部 分分平均风速平均风速风速记录的局部放大。风速记录的局部放大。u 表示阵风或实际瞬时风表示阵风或实际瞬时风速速U相对于平均风速相对于平均风速 的偏离的偏离UUUu 瞬时风速瞬时风速 平均风速平均风速湍流部分湍流部分 将大尺度变化与湍流分开的方法将大尺度变化与湍流分开的方法: 将风速实测资料在将风速实测资料在30 分钟到分钟到1小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值 的正的或负的偏离的正的或负的偏离 谱隙的存在，使我们能用此种方法将流场进行分离谱隙的存在，使我们能用此种方法将流场进行分离流的平均部分和湍流部分

16、流的平均部分和湍流部分一些基本的统计方法一些基本的统计方法三类平均：三类平均： 空间平均空间平均，时间平均时间平均，系综平均系综平均。A=A(t,s), t : 时间时间; s: 空间空间或或其中，其中，tit 离散情况离散情况NTt/ N 为数据点数为数据点数101),()(NiNtsiAsA空间平均空间平均， 应用于某一瞬时，对变量求和或在应用于某一瞬时，对变量求和或在空间域空间域 S 上积分。上积分。 TttdtstATsA0),(1)(ssdsstAstA0),(1)(或或 其中，其中，sjs 离散情况离散情况 ；Nss/ 系综平均系综平均，对，对N个同样的试验求和：个同样的试验求和：

17、101),()(NjNjtAtA101),(),(NjjNestAstA时间平均时间平均， 应用于空间某一特定点，对变量求应用于空间某一特定点，对变量求和或在某一时域和或在某一时域T上积分。上积分。各态遍历各态遍历：对于均匀平稳的湍流而言，：对于均匀平稳的湍流而言，时间平均时间平均，空间平空间平均均及及系综平均系综平均这三种平均都相等。这三种平均都相等。雷诺平均雷诺平均, aAA bBB aAaAaAA 0 a)(bBaAAB abbABaBA abBAabBA000 湍流统计参数 平稳湍流、均匀湍流、各向同性湍流1、方差 （湍流强度 湍流平均动能）2、相关函数和相关系数 （同一变量）3、协方

18、差 （不同变量）4、湍流尺度 相关系数的积分作业2： U（m/s） 5, 6, 5, 4, 7, 5, 3, 5, 4, 6 W（m/s） 0, 1, -1, 0, -2, 1, 3, 3, -2, 1 求解平均速度， 方差，协方差，相关系数湍流能谱 傅里叶变换的主要思维： “从时间域 转换到 频率域” 大气边界层平均场控制方程大气边界层平均场控制方程1、气体状态方程TRpd2、连续方程wuvuuujxujj321 3 , 2 , 1 0张量展开：0zwyvxu干空气气体常数-1-1kgKJ 04.287dR5 5个方程构成了边界层气象学的基础，可有附加方程（如污染物）。个方程构成了边界层气象

19、学的基础，可有附加方程（如污染物）。3、动量守恒方程 12223jiikjijkijijixuxpugxuutu存储项平流传输项重力项，仅在垂直方向作用柯氏力项气压梯度力项粘性力项式中：地转角速度j的三个分量为0，cos，sin， 为纬度， 为分子动粘系数。 由于科氏力在垂直方向可以忽略，第项可写成 +fcij3uj，此处fc=2sin。ijk为反对称张量。4、热量守恒方程 cLE-c1-p*jp22jjjjxQxxut存储项平流传输项热扩散项式中：为分子热扩散系数，数值为2.0610-5 m2s-1； L为与相变有关的潜热（0C时汽液相变取值2.50106 ）；液固相变取值3.34105Jk

20、g-1; 汽固相变取值2.83106 Jkg-1）； cp为湿空气定压比热，与干空气定压比热的关系为cp=cpd (1+0.86q)； cpd取值1004.07 Jkg-1K-1。 E为蒸发量水汽蒸发和凝结吸收和释放的热量辐射散度项5、水汽守恒方程存储项平流传输项粘性力项式中：q为水汽分子扩散系数蒸发和凝结项水汽的源和汇作用 E22qjqjjsxqxqutq 在湍流运动的大气边界层中，上述方程组还不能完整地描述边界层中的全部过程，应将上述的主要变量转换成平均量和脉动量相加。既：pppqqquuuiii平均场方程描述长时间过程，脉动场方程描述短时间过程。以状态方程为例：vvaTTRpp进行雷诺平

21、均后：vvaTTRp右边第二项很小可以略去不计：vaTRpvvTTpp取平均：vvaTTRp上式，右边第二项很小可以略去不计。则vaTRpvvTTpp代入上述方程组，有：vvaTTRpp几个数量级的概念：1000hPahPa05. 0 ppC300C6 . 0VVTTVVVVTT 大气静力学稳定度的检验标准，必须首先立足于Bousinnesq假定，随大气湍流上下随机移动的空气微团，保持其气压随遇（环境）平衡。经分解、平均后的运动方程：0jjxuNote: 满足Boussinesq假定下，湍流微团相互之间的密度差异只决定其相互之间的虚位温v的高低。由此可以看出，大气静力学稳定度的检验标准，必须首

22、先立足于Bousinnesq假定，随大气湍流上下随机移动的空气微团，保持其气压随遇（环境）平衡。0jjxuBoussinesq假设成立的条件下，有：vvvvTT 和运动方程：zpgdtdw1dzppdgdtwwd取平均：zppgdtwwd)()1 (1zpgdtwwd11假设：0wgtpzpgdtwwd111静力学稳定，0重力作用到边界层大气中空气微团上，动量方程写作：ggvv122331jiijijcvvijijixuxpufggxuutu 1223jjijiijijkcijijixuuxuxpufgxuutusin2将：iiiuuu和代入对比前后两个方程，后者多了X项； 表示为雷诺应力对平

23、均运动的影响 表示为动量的交换juu juu - 由于湍流运动通过某一水平面使动量通过项产生垂直交换，使下层的流体的动量得到补偿，与地面摩擦消耗的动量相平衡。 在一定的假设条件下（如：水平均一、各向同性），将上式x，y和z三方向展开，三方向速度分量u1、 u2、 u3分别写成u，v和w，湍流场在统计上保持：水平均一；静力学平衡；忽略小数量级的分子粘应力项。0w动量方程组的常用形式：zwvuufxvutvzwuvvfxuutugcjjgcjj同样，热量和水汽方程：zqwSxqutqzwzQLECxutqjjpjj*1 上面方程组均出现了湍流通量垂直散度项，如 、 和 项，表现出对平均场动量、热量

24、和水汽含量增减的贡献。zwu) ( ( ) wzzqw) ( 作业3： 推倒NS的湍流控制方程 5个方程同样，可推导出平均运动的能量方程： 5 . 05 . 0223322jjiijiiiijiijciiijjixuuuxuuxpuuufuguxuut平均运动能量的存储；平均风对平均运动能量的平流；重力作用于垂直运动对能量的增强或减弱表示科氏力的效应；气压梯度力的作用对能量的增强或减弱；平均运动的分子耗散，一般可以略去不计；表示平均流与湍流的相互作用。 假设垂直速度w为零，并取平均风向坐标轴x轴，则将上式X项可写作：zuwuzuwuzwuu 平均能量方程中 项与湍流能量方程中 项，表达式相同而

25、符号相反，说明雷诺应力作功使湍流运动从平均运动获取能量。)/(zuwu)/(zuwu将上式X项后面方程相比：通量 概念：单位时间通过单位面积上的量运动学通量运动学通量通量是单位时间通过单位面积所传输的量通量是单位时间通过单位面积所传输的量例：例： 通量通量 符号符号 单位单位 质量质量 热量热量 水汽水汽 动量动量 污染污染MHQRF smkgair2smJ2smkgw2smmskg21)( smmkgsmkg32污污污污或或RLQvE Lv 水汽蒸发潜热水汽蒸发潜热 有时水汽通量写成潜热通量：有时水汽通量写成潜热通量： 我们很少直接测量热量和动量之类的参数，而直接测我们很少直接测量热量和动量

26、之类的参数，而直接测量温度和风速之类的参数量温度和风速之类的参数 动力学通量除以除以湿空气密度，定义为运动学通量。动力学通量除以除以湿空气密度，定义为运动学通量。对于感热通量，也可以除以空气比热对于感热通量，也可以除以空气比热Cp)/()/(10216. 123smKmWCp 使我们很容易在运动学通量和常规通量之间转化使我们很容易在运动学通量和常规通量之间转化 大多数通量均可分成三部分：如图大多数通量均可分成三部分：如图a所示的所示的一个垂直分量和两个水平分量一个垂直分量和两个水平分量b ) 如果进入容积的通量比流出的通量大，那么如果进入容积的通量比流出的通量大，那么容积的通量必定有净增加容积

27、的通量必定有净增加 可将这些通量画成矢量可将这些通量画成矢量 动量通量，其任一方向上的通量都可能是动量通量，其任一方向上的通量都可能是 u, v 或或w分分动量的通量动量的通量 通量有通量有9个分量：三个动量分量中的个分量：三个动量分量中的每一个都能穿过笛卡儿坐标中任一方向的垂直平面。每一个都能穿过笛卡儿坐标中任一方向的垂直平面。 根据根据u，v和和 w风分量可把动量分风分量可把动量分解为三个笛卡儿方向。在解为三个笛卡儿方向。在x，y和和z 三个方向中的任一方向上，动三个方向中的任一方向上，动量通量可以包括三个分量中任一量通量可以包括三个分量中任一分量的输送，得到分量的输送，得到9个动量通量个

28、动量通量分量分量动量通量为二级张量动量通量为二级张量 把通量分为平均部分和湍流部分把通量分为平均部分和湍流部分 与平均风速（即平流）有关的通量：与平均风速（即平流）有关的通量： 垂直运动学平流热通量垂直运动学平流热通量 垂直运动学平流水汽通量垂直运动学平流水汽通量 x 方向运动学平流热通量方向运动学平流热通量 u 动量的垂直运动学平流通量动量的垂直运动学平流通量 wqw uuw其它方向的通量也可用类似的方法构成。这些通量其它方向的通量也可用类似的方法构成。这些通量具有其相应的运动学通量，也有相应的物理意义。具有其相应的运动学通量，也有相应的物理意义。例如，垂直速度越大，或者位温越高，产生的垂直

29、例如，垂直速度越大，或者位温越高，产生的垂直热通量也越大。热通量也越大。湍流输送湍流输送 流体运动能输送物理量，流体运动能输送物理量， 产生通量产生通量 湍流也含有运动湍流也含有运动 因而我们认为湍流也能输送物理量因而我们认为湍流也能输送物理量一些概念一些概念 除了用扰动值代替除了用扰动值代替 和和 的平均值之外，的平均值之外， 看起来与看起来与运动学通量很相似运动学通量很相似 如果湍流是完全随机的，如果湍流是完全随机的， 则某一瞬间的正的则某一瞬间的正的 可可抵消以后某一瞬间的负的抵消以后某一瞬间的负的 ，产生的平均湍流热，产生的平均湍流热通量接近于零通量接近于零 w w w 然而在有些情况

30、下，平均湍流通量然而在有些情况下，平均湍流通量 可能与可能与零大不相同零大不相同 w净向下热通量净向下热通量湍流向下混合一部分空湍流向下混合一部分空气，向上混合一部分空气气，向上混合一部分空气净向上热通量净向上热通量2121 即使没有质量净输送即使没有质量净输送 ， 湍流也能产生热量净输送湍流也能产生热量净输送w 0 w 这些通量的形式强调了湍流的统计学特征：这些通量的形式强调了湍流的统计学特征： 0 w只是统计学上的协方差只是统计学上的协方差 垂直运动涡动热通量垂直运动涡动热通量 垂直运动涡动水汽通量垂直运动涡动水汽通量 x 方向运动涡动热通量方向运动涡动热通量 u 动量的垂直运动涡动通量动

31、量的垂直运动涡动通量 wqw uuw x方向方向 w 通量的运动涡动通量通量的运动涡动通量湍流输送湍流输送湍流闭合与混合长理论基本出发点：(1)把湍流看成是分子； (2)把湍流动量交换看成分子动量交换。分子：湍流：/dUdz/mUKz v l mKV lK理论局部闭合 K有不同名称： 涡动粘滞系数 涡动扩散率 涡动输送系数 湍流输送系数 梯度输送系数 后者是因为K使湍流通量与有关平均变量的梯度联系起来。 有时不同变量有不同K值，所以把下标“M”用于动量，得到 为涡动粘滞系数。MK局部闭合 对于热量和湿度来说，我们将用 和 表示各自的涡动扩散率。 有些实验资料对静力中性条件提出： 我们还不明白

32、为什么会小于其他K值。 也许气压相关影响损害了用以得到上式的那些计算结果。HKEKMK陆面过程与大气之间的物质交换通量通量 通量是指单位时间通过单位面积的流体的某属性量的输送。通量是指单位时间通过单位面积的流体的某属性量的输送。 流体运动可分为平均运动和脉动运动两部分，因此属性输流体运动可分为平均运动和脉动运动两部分，因此属性输送也分别由这两部分运动引起。送也分别由这两部分运动引起。 热通量和水通量：热通量和水通量：风速分量乘以热量和水汽含量和表示通风速分量乘以热量和水汽含量和表示通过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。( , , ) uvw( ,

33、q , ) quvqw热通量：热通量：水汽通量：水汽通量： w w uv v uu u u 222vwwvwv 动量通量：动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为对上述两个标量的通量传输可以分解为x x，y y和和z z三三个方向。风速矢量有三个分量（个方向。风速矢量有三个分量（u u、v v和和w w），），因此对于动量通量则因此对于动量通量则具有具有9 9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u u，v v和和w w方向的方向的动量输送，因而具有二阶张量性质。动量输送，因而具有二阶张量性质。) , , (wvucp) , vq , (wquq

34、w vw v uvwu vu u 222uwwv湍流场：湍流场：动量通量：动量通量：HC wp Ew q wuwv感热通量：感热通量：潜热通量：潜热通量：（风向随时间变化）（风向随时间变化） 水平均一条件，水平方向的感热通量和潜热通量为零，水平均一条件，水平方向的感热通量和潜热通量为零，风向为风向为x x方向，且不随高度变化，横向通量为零。则一般有：方向，且不随高度变化，横向通量为零。则一般有：)(wvwuqwLLE湍流通量与平均属性廓线的关系湍流通量与平均属性廓线的关系大气边界层特征：日变化大气边界层特征：日变化 大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致的大气边界层的另一个重要特征就

35、是由于热力作用而导致的强烈的日变化。具体地说，白天和夜间的大气边界层结构强烈的日变化。具体地说，白天和夜间的大气边界层结构有显著的不同。有显著的不同。白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边白天由于地表接收太阳辐射后被加热，边界层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳界层内的湍流运动使得这些热量向上传递，空气处于不稳定层结状态，这时的边界层称为对流边界层（不稳定边界定层结状态，这时的边界层称为对流边界层（不稳定边界层），其厚度可达几百米甚至几千米层），其厚度可达几百米甚至几千米；而夜间则相反，地而夜间则相反，地面因长波辐射冷却后，热通量是向下的，面因长波辐射冷却后，热通量是向下的， 空气处

36、于稳定空气处于稳定层结状态，这时的边界层称为稳定边界层或夜间边界层，层结状态，这时的边界层称为稳定边界层或夜间边界层，厚度较低，只有二三百米左右厚度较低，只有二三百米左右。表面表面表面中午日落午夜中午日出稳定(夜间)边界层卷挟带残余卷挟云层自由大气盖顶逆温大涡对流混合层混合图 8.2.1 陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。高度(m)200010000边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件）边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件） 对流边界层结构及其流场图象。（引自对流边界层结构及

37、其流场图象。（引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990) 稳定边界层结构及其流场图象。（引自稳定边界层结构及其流场图象。（引自WyngaardWyngaard, 1990), 1990)激光雷达观测气溶胶粒子垂直分激光雷达观测气溶胶粒子垂直分布剖面布剖面大气边界层大气边界层探测和近地层通量观测探测和近地层通量观测 大气边界层问题已经由研究领域转变成为气象业大气边界层问题已经由研究领域转变成为气象业务和服务发展中的重要问题。务和服务发展中的重要问题。 边界层和近地层问题在气候系统监测和气候系统边界层和近地层问题在气候系统监测和气候系统模式中的重要性越来越受到重视，边界层探测是当前模式中的重要性越来越受到重视，边界层探测是当前气象业务发展迫切需要的重要业务内容。气象业务发展迫切需要的重要业务内容。 谱隙谱隙其中间的风速微弱变化的时间或其中间的风速微弱变化的时间或空间尺度区称为空间尺度区称为谱隙谱隙 图中似乎明显存在周期大约图中似乎明显存在周期大约30分钟到分钟到1小时的风速变化。小时的风速变化。两小时内平均风速从两小时内平均风速从6m/s减小到减小到5 m/s1 小时小时100 小时小时0.01 小时小时谱谱 隙隙日变化日变化气气 旋旋data: 1957低层大气运动的功率谱低层大气运动的功率谱（大气运动的连续谱）（大气运动的连续谱）湍湍 流流