空間經濟

[拼音]：daqi tuanliu

[英文]：atmospheric turbulence

指空氣質點作無規則的或隨機變化的一種運動狀態，這種運動服從某種統計規律。一般認為，湍流脈動是各種尺度的渦旋相互疊加和相互作用的表現。時間尺度在數十分鐘以下的大氣渦旋，均屬於大氣湍流運動。至於一些更大尺度氣流的無規則起伏，例如天氣系統、大氣環流中的擾動等，是否屬於大氣湍流運動，尚無定論。

大氣湍流是大氣中的一種重要運動形式。在大氣邊界層中對流層上部的急流區裡，以及對流雲的雲體內，均可出現較強的大氣湍流。它們分別稱作邊界層湍流、晴空湍流和對流雲湍流。大氣湍流使空氣發生強烈的鉛直和水平擴散，其強度和尺度遠大於分子擴散，是大氣中特別是邊界層內各種物理量傳輸的主要過程。它對陸面和洋麵的蒸發，氣溫的日變化，氣團變性等有重要的影響。大氣和地表之間通過湍流的動量交換，對氣流產生較強的阻力，稱作湍流粘性力，它是造成大氣邊界層中風隨高度變化的因素之一（見埃克曼螺線）。大氣湍流還能影響光波、聲波和無線電波的傳播，例如星光的閃爍，無線電波、聲波和光波的散射現象等（見光波在湍流大氣中的傳播、電磁波在湍流大氣中的傳播、大氣聲學）。同時強烈的低層大氣湍流可以破壞建築物；晴空湍流可以使飛機劇烈顛簸，甚至發生飛行事故;對流雲中的湍流，在加強雨滴增長的速率、冰雹和雷電的形成中，起著重要的作用（見雲和降水微物理學、雷雨雲起電）。

研究簡史

對湍流的研究已有近百年的歷史，1839年，G.漢根在實驗中首次觀察到由層流到湍流的轉變。1883年，O.雷諾又在圓管水流實驗中找出了層流過渡到湍流的條件。在理論研究方面，1895年雷諾曾把瞬時風速分解為平均風速和疊加在上面的湍流脈動速度兩部分，得到湍流運動方程組(雷諾方程)，提出湍流粘性力（雷諾應力）的概念。1925年，L.普朗特在這基礎上提出了混合長度的概念，得出邊界層內風速隨高度變化的規律：在對數座標中呈線性增長。在大氣邊界層中，此結果被許多實驗所證實。1915年，G.I.泰勒提出了研究大氣湍流微結構的統計理論。1920年，L.F.理查孫研究了大氣溫度分佈對湍流的影響。1941年，A.H.科爾莫戈羅夫又提出了局地各向同性理論，以上這些理論，合理地解釋了湍流中的微結構。

基本規律

湍流發生條件

雷諾實驗證實，對於粘滯流體，湍流的發生取決於流場的雷諾數Re =αl/v（其中v、α 分別為流體的運動粘度和特徵速度，l為特徵長度）。雷諾數為作用於流體上慣性力和粘性力的無量綱比值。當流體中發生擾動時，慣性力的作用是使擾動從主流中獲取能量；而粘性力的作用則是使擾動受到阻尼。但大雷諾數只是湍流發生的必要條件。大氣湍流的發生還須具備相應的動力學和熱力學的條件。風速切變是擾動產生的動力因素，當風速切變足夠大時，可使波動不穩定，形成湍流運動。溫度分佈不均勻，是影響大氣湍流的熱力因素。當溫度的水平分佈不均一，且斜壓性不穩定時（見大氣動力不穩定性），大氣擾動較強，水平風速及其切變很大，這些因素都對湍流的生成和發展有利，晴空湍流經常發生在這種區域裡。溫度的鉛直分佈對大氣湍流的影響，取決於大氣靜力穩定度。在自動對流不穩定的條件下，湍流的生成和發展很強烈。一般可用理查孫數(Ri)判別穩定度對湍流的作用：

其中θ為位溫，g 為重力加速度， дθ/дz和дv/дz為位溫和特徵風速的鉛直切變，1/θ·дθ/дz為大氣鉛直穩定度。理查孫數是浮力作功產生的湍流能量與雷諾應力作功產生的湍流能量的無量綱比值。在不穩定條件下，Ri<0，浮力作功，使湍流增強；在穩定條件下，Ri>0，湍流運動將反抗浮力作負功而消耗一部分湍流能量。當Ri數達到臨界值時，湍流將完全受到抑制，轉變為層流或波動。臨界理查孫數大致在0.25～1之間，準確數值還需進一步用實驗證實。Ri接近零時為中性大氣，此時湍流得到發展或受抑制，還要考慮其他物理因子後才能斷定。

湍流尺度譜

大氣湍流有很寬的尺度譜。近地面層風速脈動的能譜函式充分顯示了這一點（圖1），圖中n為渦旋頻率，t為時間，Eu(n)為能譜密度。公認的大氣湍流尺度（時間尺度從0.001～0.1小時），跨越了三個量級，如果把日變化（能量峰值在10小時附近）和天氣系統的變化（能量峰值在 100小時附近）考慮在內，則譜區將更寬。

大氣湍流擴散係數的數值和研究物件的尺度有關。例如，在考慮汙染物隨風飄移的擴散過程時，飄移的距離越遠，大尺度湍流的影響越大。從湍流擴散係數K和湍流尺度的關係中(圖2)，可以看出K值隨湍流尺度的變化從1.6×10-5米2/秒增加到107米2/秒，跨越了12個數量級。

非各向同性

大氣湍流在三個方向（順風、橫風和鉛直方向）的尺度和強度都不同，說明它是非各向同性的。在一般情況下，它的鉛直分量比水平方向的兩個分量都小。在大氣邊界層中，湍流主要受地面的狀態限制。在晴空湍流區裡，湍流區本身的鉛直範圍（幾十米到幾百米）總是小於水平範圍（幾公里到幾十公里）。在對流雲內，情況可能不同，一塊發展旺盛的濃積雲（見雲），鉛直厚度往往超過它的水平範圍，鉛直脈動速度有時高達每秒幾米，這方面仍缺乏系統觀測的結果。大氣湍流的非各向同性還表現在湍流擴散係數的數值上。從強穩定層結到不穩定層結，鉛直湍流擴散係數的數值為2×10-1～10-2米2/秒，橫向湍流擴散係數則為 101～105米2/秒。

局地各向同性

大氣湍流渦旋能量譜可以分做大尺度的含能區和中小尺度的平衡區兩個譜段（圖3），在平衡區內湍流從上一級渦旋得到的能量，等於往下一級傳輸的能量與分子粘性耗散能量之和。平衡區又可分做兩個亞區：不考慮分子粘性耗散的慣性區和分子粘性耗散區。在一般情況下，渦旋能量總是由大尺度渦旋向小尺度渦旋方向傳遞的。在逐級傳輸的過程中，外部條件的影響逐漸衰退，逐漸失去大尺度渦旋各向異性的性質，而趨於小尺度渦旋各向同性的性質，所以在實際大氣中，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據量綱分析，用一些統計函式表示，例如科爾莫戈羅夫引進的湍流結構函式：

以平均風速的方向為x 軸方向，r為x 方向兩點的距離；

u′為x 方向的湍流速度，v′為y 或z 方向的湍流速度，方括號上的長橫線代表統計平均。Bdd(r)和Bnn(r)分別為沿平均風速方向和垂直於平均風速方向的結構函式。科爾莫戈羅夫得到：慣性區（即分子粘性耗散可忽略的譜區）的湍流結構函式和距離的 2/3次方成正比。這就是著名的三分之二次方定律：

B(r)∝r2/3

大氣邊界層湍流區和晴空湍流區的觀測結果，證實了大氣湍流確是局地各向同性的。研究聲波、光波和無線電波在湍流大氣中的一些傳播規律時，三分之二次方定律得到很好的證實。問題的核心是確定局地各向同性大氣湍流的渦旋尺度上限。很多學者分析了近地面層觀測資料之後，認為該尺度略低於湍流渦旋所在的空氣層與地面間的距離。