边界层气象学课件：01大气湍流2014.ppt

著名的泰勒（Taylor）假设： 大气边界层的湍流结构应在大范围的空间内进行同步测量，但这在技术上难度很大，比较容易的是在空间一个点上作长时间的测量。例如在气象铁塔上进行测量，它能提供边界层空气流经传感器的时间序列资料。但是，湍流运动是一个三维空间的问题，能否将测量的时间序列资料用来研究湍流的空间结构呢？ 泰勒（Taylor）提出，在满足某些条件的情况下，当湍流流经传感器时，可以认为湍流是被冻结的。其含义是，在空间上一固定点对湍流的观测结果统计上等同于同时段沿平均风方向空间各点的观测，也称为‘定型湍流’假设。当然湍流并不是真的被冻结，只是假设湍涡发展的时间尺度大于它被平流携带经过探头所需的时间, 泰勒假设才适用。 利用风速 与时间t 的乘积等于该空气团运行距离 的关系，可将时间序列的湍流资料转化为相应的空间测量资料。选择x沿主导风速方向。 对于任意变量? ，泰勒假设可表述为：当 时，湍流是冻结的。因而泰勒假设的一般形式为； 注：泰勒假设虽然一直没有得到严格的证明，而且此假设中实际还隐含着平稳湍流和均匀湍流的条件，风速也不宜过小，但根据实际观测资料的验证，泰勒假设在边界层中是适用的。 8、大气湍流研究简史 苏联学派 理论指导实践 希望：当我们最终去见上帝时，不再象Von Karman 那样祈求揭示湍流的奥妙！ 下次课介绍（板书形式） 湍流的统计描述 kolmogorov局地各向同性湍流理论 请预习“参考书目1”中的相关内容 边界层气象学Boundary Layer Meteorology 参考书目 1、盛裴轩 等，大气物理学（其中的第三篇 大气边界 层物理），北京大学出版社，2003. 2、[美] Rolland B. Stull著，徐静琦，杨殿荣译， 边界层气象学导论，青岛海洋大学出版社，1991. 3、T R Oke, Boundary Layer Climates,1987 课程目的与教学基本要求 边界层气象学是研究大气边界层的科学。它以观测事实、实验室模拟、数值模拟等为出发点，通过半经验理论、相似理论及统计理论等，对边界层大气的湍流运动特性、能量收支、物质输送和交换等方面的规律进行研究。它是大气科学、环境科学等领域的重要基础课程。 基本要求的三个档次，即掌握、熟悉、了解 考察与考试 1、练习题（可选，关于湍流谱） 2、期中测验 40％ （开卷） 3、期末考试 60％ （开卷） 框 架 经典流体力学描述流体运动规律，大气运动也满足这些规律。 大气动力学有其自身特点：旋转坐标系、层结现象、湍流运动、非单一气体、尺度分级等。 气候动力学、中小尺度动力学（按运动尺度分类） 大气动力学＋大气热力学－－动力气象学 大气动力学＋湍流理论－－大气湍流 大气动力学＋大气热力学＋大气湍流－－边界层气象学 大气动力学＋相变理论（云雨雷电）－－云动力学 大气动力学＋环境科学－－污染气象学或环境气象学 大气动力学＋计算流体力学－－数值天气预报、中尺度数值模式、 大气环流模式 内容介绍 第一章 大气湍流基础 第二章 边界层平均特征 第三章 大气湍流控制方程及其闭合理论 第四章 近地面层及其廓线规律 第五章 中性大气边界层 第六章 对流边界层（混合层） 第七章 稳定边界层 第八章 非均一下垫面对边界层的影响 第九章 大气边界层观测及实验 第一章 大气湍流基础 一、大气湍流一般特征 二、湍流统计描述 三、湍流控制方程(第三章详细讲述) 四、kolmogorov局地各向同性湍流理论 一、大气湍流 注：物理学家，海森堡（Heisenberg）,冯.卡门(Von Karman) Von Karman 1961年曾在一次流体力学会议的开幕词中说：“当我最终去见上帝时，我祈求的第一个新发现就是揭示湍流的奥妙！” 1、湍流和普遍存在的复杂现象 湍流：一种普遍而及其复杂的流体运动形态，也称紊流、乱流 大气湍流：复杂的大气运动形态 复杂性：时、空不规则，多尺度（macro-, meso-, micro-) scale 图8.1 热线风速计在大气中测量的风速记录 1992年8月13日在戈壁（甘肃），使用超声风速仪、白金丝温度仪和Layman-?湿度表观测得到的资料，以及由这些记录计算得到的瞬时风向。 其他复杂现象： 股票指数、地震记录 DNA序列、心脑电图 海岸线、气候序列 。。。 不规则性、多尺度性 注：你知道分形几何吗？ 你知道混沌吗？ 法国数学家曼德布劳特(B. B. Mandelbrot)经