关于大气湍流介绍

[拼音]：daqi tuanliu

[外文]：atmospheric turbulence

指空气质点作无规则的或随机变化的一种运动状态，这种运动服从某种统计规律。一般认为，湍流脉动是各种尺度的涡旋相互叠加和相互作用的表现。时间尺度在数十分钟以下的大气涡旋，均属于大气湍流运动。至于一些更大尺度气流的无规则起伏，例如天气系统、大气环流中的扰动等，是否属于大气湍流运动，尚无定论。

大气湍流是大气中的一种重要运动形式。在大气边界层中对流层上部的急流区里，以及对流云的云体内，均可出现较强的大气湍流。它们分别称作边界层湍流、晴空湍流和对流云湍流。大气湍流使空气发生强烈的铅直和水平扩散，其强度和尺度远大于分子扩散，是大气中特别是边界层内各种物理量传输的主要过程。它对陆面和洋面的蒸发，气温的日变化，气团变性等有重要的影响。大气和地表之间通过湍流的动量交换，对气流产生较强的阻力，称作湍流粘性力，它是造成大气边界层中风随高度变化的因素之一（见埃克曼螺线）。大气湍流还能影响光波、声波和无线电波的传播，例如星光的闪烁，无线电波、声波和光波的散射现象等（见光波在湍流大气中的传播、电磁波在湍流大气中的传播、大气声学）。同时强烈的低层大气湍流可以破坏建筑物；晴空湍流可以使飞机剧烈颠簸，甚至发生飞行事故;对流云中的湍流，在加强雨滴增长的速率、冰雹和雷电的形成中，起着重要的作用（见云和降水微物理学、雷雨云起电）。

研究简史

对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，合理地解释了湍流中的微结构。

基本规律

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 =αl/v（其中v、α 分别为流体的运动粘度和特征速度，l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(Ri)判别稳定度对湍流的作用：

其中θ为位温，g 为重力加速度， дθ/дz和дv/дz为位温和特征风速的铅直切变，1/θ·дθ/дz为大气铅直稳定度。理查孙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，Ri<0，浮力作功，使湍流增强；在稳定条件下，Ri>0，湍流运动将反抗浮力作负功而消耗一部分湍流能量。当Ri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。Ri接近零时为中性大气，此时湍流得到发展或受抑制，还要考虑其他物理因子后才能断定。

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1），图中n为涡旋频率，t为时间，Eu(n)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，飘移的距离越远，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(图2)，可以看出K值随湍流尺度的变化从1.6×10-5米2/秒增加到107米2/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2×10-1～10-2米2/秒，横向湍流扩散系数则为 101～105米2/秒。

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（图3），在平衡区内湍流从上一级涡旋得到的能量，等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：以平均风速的方向为x 轴方向，r为x 方向两点的距离；

u′为x 方向的湍流速度，v′为y 或z 方向的湍流速度，方括号上的长横线代表统计平均。Bdd(r)和Bnn(r)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。这就是著名的三分之二次方定律：

B(r)∝r2/3

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。

研究动向

大气湍流的研究，仍侧重于两个方面：

（1）从理论上研究湍流发生的机理。

（2）研究现有理论在农业气象、大气污染和扩散、大气边界层物理以及波动（光、声和电磁波）传播等方面的应用。

参考书目

1. G.K. Batchelor， The Theory of Homogeneous Turbulence，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1959.
2. D.A.Haugen，ed.，Workshop on Micrometeorology，American Meteorological Society，Boston，1973.