大气湍流.docx

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大气湍流

大气湍流

胡非

自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：

一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的香烟头附近细细的烟流；另一种则显得杂乱无章，看上去毫无规则，例如烟囱里冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流，也叫紊流，在日文文献中被叫作“乱流,更容易顾名思义。

相对来说层流却是很少见的。

我们生活的地球被大气所包围，广义地讲，整个地球大气系统都可以看作是处在具有宽广尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实际应用价值。

大气湍流以近地层大气表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运动的具体表现。

大气湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使大气中的动量、热量、水汽、污染物等产生强烈混合和输送，能对建筑物、飞行器等产生作用和影响，还会使大气折射性质发生变化从而导至电磁波和声波被散射，湍流是一种开放的、三维的、非定常的、非线性的、并具有相干结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于一身。

自从1883年Reynolds做了著名的实验以来，一百多年里一直是科学的前沿和挑战性问题之一。

历史上，包括vonKarman、Kolmogorov、Landau和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得大的成功。

在跨越了两个世纪之后的今天，尽管人们对湍流发生机理和湍流运动规律的了解有了很大的进展，湍流研究在工程技术上的应用也取得了很大的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全面，还有很多基本的问题没有搞清楚。

例如：

目前为止，科学家们还给不出湍流的严格科学定义，也没有找到对湍流的解析和定量描述方法；尽管知道了控制流体运动的Navier-Storkes方程，但是由于该方程是强非线性、高自由度的偏微分动力系统，因而对其解析求解几乎是不可能的；Reynolds平均方程则遇到“不封闭”困难；湍流模式理论同样也因为对物理机制缺乏理解而并不很成功。

总之，湍流仍然是摆在全世界科技工作者面前的难题。

周恒院士指出，湍流问题不仅制约了航空、航天、水利、化工等许多工程技术和大气科学、海洋科学等自然科学的进一步发展，而且“也可能会对21世纪的某些新兴科学技术的形成起到制约作用”。

湍流是大气系统中复杂现象的集中体现。

它主要是由大气动力状态和热力状态的不均匀作用而引起的。

大尺度湍流还会受到地球旋转的影响，在研究天气演变和气候变化时它是非常重要的。

通常所说的大气湍流主要还是集中在离地面1~2公里厚的一个薄层、即所谓大气边界层内。

由于特征尺度很大，大气边界层的Reynolds数相当高，湍流分布在很宽的尺度上，小到毫米尺度的旋涡，大到百米甚至公里尺度的旋涡均可能存在。

因此比起普通的实验室（例如风洞中）湍流来，具有宽得多的谱带，大气湍流强度也很大，可达20%左右。

大气边界层是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，地气之间物质和能量的交换过程大部分都是通过湍流输送来实现的，因此湍流始终是大气物理研究的核心问题，它与天气预报、气候预测等有非常密切的关系。

由于人类的生命和工程活动几乎都是发生在这一层次内，所以大气湍流研究对于工业、农业、国防建设和环境保护等亦具有十分重要的意义。

除了大气边界层中存在明显湍流外，在自由大气的积云中或强风速切变的晴空区，也存在着湍流。

早在1915年，著名湍流学者G.I.Taylor就开始了大气湍流研究，当时流体力学家对湍流问题的研究也才刚开始不久。

著名的湍流能谱“-5/3定律”就是首先在大气中得到实验证实的。

对于湍流研究来说，可以认为大气是最大的天然实验室，我们一方面可以借鉴普通湍流研究的成果来应用于大气湍流研究，另一方面也可以从大气湍流中发现和引伸出某些具有普遍意义的问题来，促进湍流基础理论的研究。

但是，大气湍流问题要比普通流体动力学湍流复杂。

除了经常存在风速剪切外，还存在着密度分层（或温度层结）、下垫面不均匀等许多复杂因素。

尤其是由于地表和大气热力作用的影响导致大气边界层随时间的变化，从而影响湍流结构。

大气湍流的探测也不象实验室湍流那样易于进行。

近半个世纪以来，以Monin-Obuhov提出的相似理论、Deardorff提出的大涡模拟、美国Kansas州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。

未来大气湍流研究存在的问题或面临的难题有哪些呢？

一、大气湍流的发生机制

大气湍流的发生机制可分为动力学机制和热力学机制两大类。

前者主要从大尺度剪切流中获取能量，后者则主要由热对流引起。

通常情况下是动力和热力同时起作用。

大气边界层平均场的稳定性对于研究大气湍流的发生具非常重要的意义。

主要包括重力不稳定，例如斜压和对流不稳定，以及风切变不稳定，例如正压不稳定和Kelvin-Helmholtz波。

夜间边界层中波与湍流的相互作用涉及非线性不稳定性问题。

三力平衡的Ekman流场在一定的扰动条件下也是不稳定的。

白天对流边界层和夜间稳定边界层在日出日落时期的风、温场结构的转变实际上就是一种稳定性向另一种稳定性的转变。

作为连续介质的边界层大气，在从层流到湍流的演变过程中，其物理图案和力学规律上的改变究竟对应着哪些数学性质的改变？

除了Reynolds数外和另一个控制参数，即Richardson数Ri以外，是否还存在其它重要的控制因子？

此外，在大气锋面、气旋、高空槽、切变线、地形等附近，湍流的发生机制也同样是重要的研究课题。

二、大气湍流的间歇性和标度律

已有大量的研究表明，大气湍流不是在时间和空间上处处充满的，从时间上看湍流与非湍流（层流）是交替出现的，从空间上看，湍流与非湍流共存并且交织在一起，但有明显的分界面，即具有间歇性。

在湍流边界层的外缘处，或者是在烟囱中冒出的浓烟的边缘以及天空中积云与蓝天的交界面上，都可以看到这种间歇性现象。

它主要与流动的外部边界条件或流动的大尺度结构有关，因此称为外间歇性。

与上述外间歇性不同，实验发现在已经充分发展的小尺度湍流中还存在着另一种间歇

性，即某些物理量，例如能量耗散率ε（与速度梯度的平方有关），不是均匀分布在流场中的；相反，在有些区域非常活跃，在另一些区域则非常微弱。

这种情况对于高阶物理量或物理量的高阶导数更加明显。

这就是湍流的内间歇性，它是首先由Batchelor和Towsend在风洞实验中发现的，后来在大气湍流中也被证实，有人称之为湍流的微结构间歇性。

在湍流运动中，还发现了另一个重要的特征，就是存在标度不变性。

这是一种新的、在Re很大时出现的宏观对称性。

实际上，在相变和临界现象都存在类似的标度不变性。

这是一种普遍现象，因而有普遍的规律：

即标度律，大气湍流中“2/3定律”、“-5/3定律”都是标度律的例子，到目前为止已有的湍流理论均不能很好地解释这些定律。

尽管过去的30多年中涌现了大量的理论模型，如β模型，层次结构模型等，但是湍流间歇性和标度律的机理仍不十分清楚，近年来发现它们与混沌和分形有着密切的联系，背后可能隐藏着重大的非线性复杂系统的理论问题。

人们还发现间歇性还会导致所谓反常标度规律的出现。

充分发展的大气湍流尺度很宽，多种运动模态都能被激发，是研究湍流间歇性和标度律的理想对象，存在着不少具有挑战性的课题。

三、大气湍流的拟序结构

拟序结构是指在相互作用中保持的一种有序的动态图像，非线性系统的相互作用产生的稳定而持久的动态过程是自然界广泛存在的一类极为重要的现象，一直受到科学家的重视。

拟序结构原是湍流理论中的一个术语。

科学家们已证实，自然界中非线性拟序结构范围是10-9─108米，如木星大气湍流中保持稳定拟序结构的巨型红斑；固体物理学中原子尺度上的电荷密度波；化学反应波；激波以及孤立波等。

并且已经发现所有拟序结构，包括孤立子拟序结构和非孤立子拟序结构都具有非线性效应和弥散力巧妙平衡这一共同特性。

从观测实验中发现，大气边界层湍流场中经常存在有组织的拟序结构。

例如白天的对流涡旋结构、螺旋结构和夜间的多层逆温结构，又例如湍流温度场和湿度场中存在的“斜坡结构”等，它们是边界层的“胫骨”，对动量、能量和热量的输送具有重要影响。

它们产生的物理机制是什么？

实验上又如何测量和分析？

从数学上应该怎样描述？

Lumley提出的本征正交分解方法（POD）和近年来迅速发展的小波变换方法对于从大气湍流信号中检测拟序结构起到了很大的帮助作用。

四、稳定层结条件下的大气湍流

稳定层结条件下的大气湍流或弱湍流问题是长期以来就是一个的难点。

由于湍流比较微弱，存在较强的时空间歇性，测量和建模都比较困难，建立在发达和均匀各向同性湍流模型上的经典理论几乎都不能适用。

晴朗的夜间，日落之后地表失去热源，因长波辐射而冷却，大气变为稳定层结，白天充分发展起来的湍流也随之开始减弱，在非均匀地表条件下，夜间大气边界层中有时还存在湍流与波共存并产生相互作用的现象，因此是非常困难的问题，尚需大力开展研究。

生态系统与大气之间物质和能量的交换极其重要，农作物和森林等植物冠层内的湍流同样是较弱的，因而如何准确估算其水份和二氧化碳通量也成了一个急需解决的难题。

五、大气湍流的混沌动力学特征

最近十几年来非线性科学的迅速发展给大气湍流研究注入了新的活力。

特别是混沌理论和分形理论的出现，对于解释大气湍流的发生、描述湍流场复杂的几何结构等，都提供了新的途径，并带来了许多新的研究课题。

例如奇怪吸引子和分形的概念以及怎样由观测的时间序列重构吸引子等。

目前已经从分析超声风速仪观测的资料中发现，大气湍流在相空间中存在着混沌吸引子，其维数大于３，从而可以推测建立简化的大气湍流动力学模型所需要的独立变量的个数，这使人们不依赖于Navier-Stokes方程也可以研究湍流的某些动力学特性。

混沌理论的思想和方法，为大气湍流研究注入了新的活力，科学界有一种观点认为，湍流研究已经从过去的半经验理论和统计理论研究步入到动力学理论研究的新阶段。

解决大气湍流中的拟序结构、间歇性和反梯度输送（所谓“负粘性”现象）等问题的出路可能在于放弃过去理论界较流行的侧重于随机性的湍流模型，去寻找非线性的、兼具随机性和确定性的理论模型，而且这个模型应能对已成定论的那些实验结果（例如“－５／３定律”）作出较为统一的解释，而不是象现在的许多模型那样顾此失彼。

六、大气湍流的数值模拟

由于大气湍流比一般的工程湍流的雷诺数要高得多，自由度巨大，因此在当前的计算机条件下进行直接数值模拟是行不通的，即使是能够直接求解Navier-Storkes方程，所得的结果如何进行统计平均后与实验结果相比较并用于实际？

这又涉及到对湍流本质的了解问题，同样是困难的。

在未来一段时期内，除了常用的高阶矩模式、k-ε模式等，在大气湍流数值模拟方法中，可能会得到大力发展和应用的是大涡模拟。

该方法虽然还不能用于天气和气候等大尺度问题，但非常其适合于研究大气边界层湍流，可以提供丰富的大涡旋信息，极大地弥补其它模式和实验测量的不足。

但是大涡模拟在如何处理近地面层中的剪切湍流、夜间稳定边界层湍流，以及小涡旋（次滤波尺度）的参数化方面仍存在着不少的问题需要研究和完善。

七、复杂下垫面湍流过程的参数化

这里所说的复杂下垫面是相对于过去理想的水平均匀下垫面而言的，主要指下垫面粗糙度不均匀（例如城市与郊区、种有高矮不同农作物的农田、绿洲和沙漠等）和有微弱地形起伏存在的情况，这种情况向真实的大气下垫面迈进了一大步，是天气预报、气候和环境预测中经常遇到的情况。

在复杂下垫面情形，湍流交换过程非常重要，但是变得更加难为处理。

在模式的网格尺度范围内，由于动力和热力不均匀，会产生不均匀湍流和次级环流。

如何布置有效地观测点进行测量？

如何进行网格尺度内湍流通量的参数化？

这是一个既具有理论意义又具有实用价值的前沿课题。

八、大气湍流与污染扩散

大气污染源（例如工厂、汽车、沙尘等）绝大部分都集中在大气边界层内，因此湍流对污染物的扩散起到极为重要的作用，尤其是在小风等不利气象条件下，而污染物在稳定条件下（例如夜间）的弱湍流场中的扩散问题长期以来也一直是个难点问题。

在城市，由于下垫面的高度复杂性，使得城市边界层湍流的研究变得非常困难。

特别是由于高层建筑物的存在形成所谓“城市冠层”，人们对其中的湍流运动特征了解得还很不够，从而影响了对城市空气污染机理、预报和控制的研究。

另一个重要的问题是在对流边界层湍流中有时会出现反梯度输送或反扩散现象，其物理机理至今仍不十分清楚。

九、大气湍流对声光电传播的影响

湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音的散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏（称为光学湍流），会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。

长期以来，以Tatarskii的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及拟序结构和间歇性的影响。

十、晴空湍流

晴空湍流被称为飞机的“隐形杀手”，由于它在空中出现时不伴有可见的天气现象，飞行员很难事先发现它，因而对飞行安全造成很大威胁，全世界每年都发生由于晴空湍流造成的飞行事故。

晴空湍流通常发生在6-15公里的高空，以离地面10公里高度附近为最多，一般认为它与高空中强的风切变有关，事实上其机理还有很多不清楚的地方。

理论上如何预测晴空湍流？

如何利用机光雷达等对晴空湍流进行预警？

长期以来都是非常重要的课题。

除了以上列举的十个代表性问题外，由于研究全球变化、气候和环境预测等问题的迫切需要，人们还开始重视将一般的大气湍流研究向二个“极端”延伸：

一个是诸如植被、农作物和建筑物室内等较小尺度的范围，例如叶片表面的湍流流动对水份蒸发的影响；另一个则涉及天气尺度和中尺度范围的大气湍流，从而全面、综合地考虑湍流过程和湍流通量输送（包括动量、热量、水汽、气溶胶和二氧化碳等）的影响。

这些都将对大气湍流的研究提出新的问题和新的挑战。