湍流的产生机制及物理过程探析

在典型的边界层案例中，湍流的能量来源于由机械做功和浮力做功两方面。前者是在有风向风速切变时，湍流切应力对空气微团做功。后者是指在不稳定大气中，浮力对垂直运动的空气微团做功，使湍流增强；在稳定大气中，随机上下运动的空气微团要反抗重力做功而失去动能，使湍流减弱。

按照这种能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型^[81]，如图10-6所示:

图10-6 大气湍流的存在和维持^[81]

（1)风切变产生的湍流

在接近地面的大气中，地面边界起着阻滞空气运动的不滑动底避作用。因为这里的风速剪切很大，涡度因而也大，流动是不稳定的，有利于湍流的形成，如图10-6a所示。湍流一旦形成即通过湍流切应力做功，源源不断地将平均运动的动能转化为湍流运动的动能，使湍流持续下去。因而在最靠近地面的气层中，无论日夜都有湍流运动。

在地形有起伏的地方，例如森林、建筑物或山地和丘陵河谷的地方，不滑动底避是三维的。由于这些障碍物对气流的阻挡作用和切应力的作用，产生流动脱体和涡旋，具备触发湍流和能量补充的条件，因此流动始终是湍流的，而且往往很强。(www.xing528.com)

（2)对流产生湍流

白天地面强烈加热，大气边界层中会产生对流泡或羽流，如图10-6b所示。对于特定的对流泡或羽流，表面上它的流动是有组织的，实际上各个单体出现的时间和地点却几乎是完全随机的，表现为湍流状态的流动。由于流动的不稳定性和卷夹作用，对流泡也会部分地破碎为小尺度湍流。对流湍流的能量来源是直接或间接地通过浮力做功取得的。除此之外，积云、积雨云以及密卷云中的湍流也是对流湍流的一种，它的出现还和云中的水汽相变过程有关。

（3)波产生湍流

稳定层结的大气中，湍流通常较弱或消失。但稳定层结的大气流动经常存在上下层较强的风切变，会产生切变重力波^[2]。当风切变足够大时，由于密度被倒置，波运动并不稳定，随着波动振幅增大而破碎，破碎波的叠加变构成湍流。湍流一旦形成，上下层混合加强，风的切变随之减弱，流动又恢复到无湍流状态，如此往复不已。

波动产生的湍流往往在空间上是离散的，在时间上是间歇的。这种密度界面上产生的波称为开尔文-赫姆霍兹波，如图10-6c所示。它常常出现在夜晚的稳定边界层中和白天的对流混合层顶。对流层晴空湍流的出现也常常和切变重力波相联系。这类湍流的动能最初来自于波动的能量（势能)，湍流出现以后也可通过湍流切变应力做功直接由平均运动动能得到。