邊界層氣象學(xué)課件：CH01-1緒論及湍流基礎(chǔ)

邊界層氣象學(xué)

BoundaryLayerMeteorology邊界層氣象學(xué)

BoundaryLayerMeteorol1參考書目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]RollandB.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、TROke,BoundaryLayerClimates,1987參考書目1、盛裴軒等，大氣物理學(xué)（其中的第三篇大氣邊2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)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)3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）考察與考試1、練習(xí)題（可選，關(guān)于湍流譜）4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、大氣環(huán)流模式框架經(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5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)內(nèi)容介紹第一章大氣湍流基礎(chǔ)6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第一章大氣湍流基礎(chǔ)一、大氣湍流一般特征7一、大氣湍流注：物理學(xué)家，海森堡（Heisenberg）,馮.卡門(VonKarman)VonKarman1961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)，我祈求的第一個(gè)新發(fā)現(xiàn)就是揭示湍流的奧妙！”一、大氣湍流注：物理學(xué)家，海森堡（Heisenberg）,馮81、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-)scale1、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)9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。圖8.1熱線風(fēng)速計(jì)在大氣中測(cè)量的風(fēng)速記錄10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？其他復(fù)雜現(xiàn)象：11法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德布勞特(B.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FractalGeometry：破碎、不規(guī)則幾何學(xué)法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德布勞特(B.B.Mandelbrot)經(jīng)歷12颶風(fēng)子夜的吉他颶風(fēng)子夜的吉他13邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)14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)黑暗中15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)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)163.9920009.253256E-013.9930001.243942E-023.9940009.865483E-013.9950001.466527E-013.9960004.968770E-013.9970007.034437E-023.9980003.084679E-023.9990009.449124E-014.0000000.000000E+00？初值敏感性蝴蝶效應(yīng)氣候可預(yù)報(bào)性問題3.9920009.253256E-17邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)18軌跡可無限接近，但永不相交軌跡可無限接近，但永不相交19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202、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：1521邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)223、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、不同直徑D、不同粘性ν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/ν,1908年索末菲定義為：Re＝UD/ν

。實(shí)驗(yàn)表明：Re<2000，層流（Laminarflow）Re>2000，湍流（Turbulentflow）臨界雷諾數(shù)：Rec=20003、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23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，ν=1.46105m2/s，則此時(shí)大氣的雷諾數(shù)已超過6000?？梢姶髿庵械睦字Z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？地球大氣雷諾數(shù)估計(jì)：雷諾數(shù)反應(yīng)了什么？244、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、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（ClearAtmosphericTurbulence，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。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255、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?？茖W(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&VonKarman(1973):Turbulenceisanirregularmotionwhichingeneralmakesitsappearanceinfluid—gasorliquid....即：湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。Hinze：Turbulencefluidmotionisanirregularconditionofflowinwhichthevariousquantitiesshowarandomvariationwithtimeandspacecoordinates,sothatstatisticallydistinctaveragevaluecanbediscerned.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：“

sinuousmotion”,“彎曲、起伏、曲折、錯(cuò)綜復(fù)雜”運(yùn)動(dòng)。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266、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（descriptivedefinition）（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)過程。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27（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

（2）渦旋性28（6）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)（coherentstructure）。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。（6）擬序結(jié)構(gòu)和相關(guān)性29（8）標(biāo)度律（scalinglaw）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λ為標(biāo)度因子，α、β、γ為標(biāo)度指數(shù)以后我們會(huì)推導(dǎo)這個(gè)公式?。?）標(biāo)度律（scalinglaw）式中λ為標(biāo)度因子，α、307、研究湍流的幾種方法統(tǒng)計(jì)理論K理論及各階閉合方法相似理論7、研究湍流的幾種方法統(tǒng)計(jì)理論31邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)32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。

著名的泰勒（Taylor）假設(shè)：33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

，泰勒假設(shè)可表述為：當(dāng)時(shí)，湍流是凍結(jié)的。因而泰勒假設(shè)的一般形式為；

注：泰勒假設(shè)雖然一直沒有得到嚴(yán)格的證明，而且此假設(shè)中實(shí)際還隱含著平穩(wěn)湍流和均勻湍流的條件，風(fēng)速也不宜過小，但根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料的驗(yàn)證，泰勒假設(shè)在邊界層中是適用的。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34邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)35邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)368、大氣湍流研究簡(jiǎn)史8、大氣湍流研究簡(jiǎn)史37蘇聯(lián)學(xué)派理論指導(dǎo)實(shí)踐蘇聯(lián)學(xué)派38邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)39希望：當(dāng)我們最終去見上帝時(shí)，不再象VonKarman那樣祈求揭示湍流的奧妙！

下次課介紹湍流的統(tǒng)計(jì)描述請(qǐng)預(yù)習(xí)“參考書目1”中的相關(guān)內(nèi)容希望：當(dāng)我們最終去見上帝時(shí)，不再象VonKarman那樣40邊界層氣象學(xué)

BoundaryLayerMeteorology邊界層氣象學(xué)

BoundaryLayerMeteorol41參考書目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]RollandB.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、TROke,BoundaryLayerClimates,1987參考書目1、盛裴軒等，大氣物理學(xué)（其中的第三篇大氣邊42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)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)43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）考察與考試1、練習(xí)題（可選，關(guān)于湍流譜）44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、大氣環(huán)流模式框架經(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45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)內(nèi)容介紹第一章大氣湍流基礎(chǔ)46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第一章大氣湍流基礎(chǔ)一、大氣湍流一般特征47一、大氣湍流注：物理學(xué)家，海森堡（Heisenberg）,馮.卡門(VonKarman)VonKarman1961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)，我祈求的第一個(gè)新發(fā)現(xiàn)就是揭示湍流的奧妙！”一、大氣湍流注：物理學(xué)家，海森堡（Heisenberg）,馮481、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-)scale1、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)49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。圖8.1熱線風(fēng)速計(jì)在大氣中測(cè)量的風(fēng)速記錄50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？其他復(fù)雜現(xiàn)象：51法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德布勞特(B.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FractalGeometry：破碎、不規(guī)則幾何學(xué)法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德布勞特(B.B.Mandelbrot)經(jīng)歷52颶風(fēng)子夜的吉他颶風(fēng)子夜的吉他53邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)54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)黑暗中55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)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)563.9920009.253256E-013.9930001.243942E-023.9940009.865483E-013.9950001.466527E-013.9960004.968770E-013.9970007.034437E-023.9980003.084679E-023.9990009.449124E-014.0000000.000000E+00？初值敏感性蝴蝶效應(yīng)氣候可預(yù)報(bào)性問題3.9920009.253256E-57邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)58軌跡可無限接近，但永不相交軌跡可無限接近，但永不相交59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602、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：1561邊界層氣象學(xué)課件：CH01_1緒論及湍流基礎(chǔ)623、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、不同直徑D、不同粘性ν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/ν,1908年索末菲定義為：Re＝UD/ν

。實(shí)驗(yàn)表明：Re<2000，層流（Laminarflow）Re>2000，湍流（Turbulentflow）臨界雷諾數(shù)：Rec=20003、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63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，ν=1.46105m2/s，則此時(shí)大氣的雷諾數(shù)已超過6000?？梢姶髿庵械睦字Z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？地球大氣雷諾數(shù)估計(jì)：雷諾數(shù)反應(yīng)了什么？644、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、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（ClearAtmosphericTurbulence，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。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655、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?？茖W(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&VonKarman(1973):Turbulenceisanirregularmotionwhichingeneralmakesitsappearanceinfluid—gasorliquid....即：湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。Hinze：Turbulencefluidmotionisanirregularconditionofflowinwhichthevariousquantitiesshowarandomvariationwithtimeandspacecoordinates,sothatstatisticallydistinctaveragevaluecanbediscerned.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：“

sinuousmotion”,“彎曲、起伏、曲折、錯(cuò)綜復(fù)雜”運(yùn)動(dòng)。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666、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（descriptivedefinition）（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)過程。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67（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

（2）渦旋性68（6）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)（coherentstructure）。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。（