《大氣湍流》以現(xiàn)代視野系統(tǒng)地介紹了大氣流動和工程流動中的湍流問題。約翰·溫加德(John C.Wyngaard)從事湍流研究和教學(xué)工作超過40年,他的這本教材對于大氣科學(xué)領(lǐng)域高等院校的學(xué)生來說是學(xué)習(xí)湍流知識的課本,也是該領(lǐng)域研究人員的重要參考書。全書分為三個部分。第一部介紹湍流的概念和方程,包括對湍流流動數(shù)值模擬的主要類型的嚴謹闡述。第二部介紹大氣邊界層中的湍流。第三部介紹湍流的統(tǒng)計學(xué)描述的基本知識,并對可以解析求解的隨機問題進行舉例講解。該書每章的結(jié)尾附有布置給學(xué)生的習(xí)題,答案公布在相關(guān)網(wǎng)頁供授課教師使用。對于大氣科學(xué)和氣象學(xué),以及航空學(xué)、機械與環(huán)境工程學(xué)、海洋學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)等諸多領(lǐng)域的高校學(xué)生和各行業(yè)研究人員而言,該書是關(guān)于湍流問題不可多得的入門教材。
約翰·溫加德在湍流研究和教學(xué)方面有著豐富的經(jīng)歷。他先后在美國空軍劍橋研究所、美國國家海洋與大氣管理局波傳播實驗室及國家大氣研究中心大氣分析與預(yù)報研究室工作,后任教于賓夕法尼亞州州立大學(xué)氣象系。任教期間他開設(shè)了關(guān)于湍流的系列課程,該書正是基于這些課程的講義而寫成的。多年來他發(fā)表了100多篇期刊論文,內(nèi)容涉及工程湍流和地球物理湍流的理論、觀測和數(shù)值模擬等方面,這些論文對本教材的成書起到了重要作用。
《大氣湍流》(原著書名為Turbulence in the Atmosphere)一書的作者是美國學(xué)者約翰·溫加德(John C.Wyngaard),他是大氣科學(xué)領(lǐng)域研究湍流問題的著名學(xué)者,集畢生之研究心得和教學(xué)經(jīng)驗,在退休之前寫成此書,并于2010年出版,為他的學(xué)術(shù)生涯增添了濃重的一筆。溫加德先生按教材體系編寫此書,希望讀者能夠系統(tǒng)全面地了解和認識湍流理論及其應(yīng)用于大氣科學(xué)的歷史和現(xiàn)狀,特別是高等院校的學(xué)生,通過學(xué)習(xí)此書能夠建立起關(guān)于湍流的知識體系,為日后的研究和應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。同時,該書也是大氣科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域科技工作者不可多得的參考書。該書對本人的教學(xué)和科研工作幫助非常大,這也激發(fā)了我把它翻譯出來的愿望。現(xiàn)在中譯本終于成稿,即將由氣象出版社出版,算是了卻了本人的心愿。中譯本面世恰逢原著出版十年整,謹以中譯本的出版向溫加德先生致敬。
本人自畢業(yè)留校以來一直在南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院從事教學(xué)與科研工作,主要研究方向是大氣邊界層與湍流,講授本科生課程“邊界層氣象學(xué)”已有十五個年頭。在長期的教學(xué)經(jīng)歷當中,深感課程內(nèi)容有所缺失,由于課時的限制,對湍流內(nèi)容的介紹通常比較簡單,導(dǎo)致學(xué)生難以建立完整的湍流知識體系,于是對邊界層氣象學(xué)的掌握也不夠扎實。我常參加研究生招生的面試工作,我的提問大都針對大氣邊界層與湍流的一些基本問題,然而學(xué)生的回答往往只有簡短幾句話,多半還是從書上背下來的,少有談及認識和理解,甚至有些學(xué)生幾乎答不上來,大三學(xué)習(xí)的知識到大四的時候已經(jīng)模糊不清了。在我看來,其主要原因是對湍流認識和理解的不到位所致。現(xiàn)在好了,有了《大氣湍流》-書的中譯本,我們可以把書中重要的湍流知識點直接引入課堂,學(xué)生可以依據(jù)此書進行課外自主學(xué)習(xí),這樣可使學(xué)生全面了解大氣湍流知識,并在邊界層氣象學(xué)的學(xué)習(xí)過程中獲得更為深刻的理解和認識。湍流是大氣運動和地球物理流動中最為普遍的現(xiàn)象,并在其中起到重要作用。對于大氣科學(xué)和相關(guān)學(xué)科,不論是高校學(xué)生還是從業(yè)人員,我相信此書一定會對他們的學(xué)習(xí)和工作大有裨益。
湍流問題既復(fù)雜又艱深,至今人們對湍流的本質(zhì)也沒有認識清楚,所以有“湍流是經(jīng)典物理中最后一個尚未被解決的問題”的說法。湍流是大氣當中普遍存在的運動方式,與大氣當中眾多物理過程直接相關(guān),涉及物質(zhì)和能量在大氣邊界層中的輸送交換、云的微物理過程、對流單體及臺風(fēng)的動力學(xué)一熱力學(xué)結(jié)構(gòu),以及光和電磁波在大氣中的傳輸,同時也是海洋上層流體運動的重要方式。然而到目前為止,人們對湍流在其中的作用還認識得不夠清楚(在有些問題中是很不清楚),從科學(xué)研究的角度講,對這些問題都需要做進一步研究。因此,認識湍流的基本性質(zhì)、了解湍流的基本理論、掌握研究湍流的基本方法就顯得尤為重要。本書在這些方面都有詳細的闡述和系統(tǒng)的介紹,構(gòu)成了關(guān)于湍流基本認識的知識體系,成為研究湍流具體問題的重要基礎(chǔ)。
大氣科學(xué)發(fā)展到今天,數(shù)值模擬不僅是研究大氣湍流的重要手段,也是研究大氣科學(xué)諸多問題的重要技術(shù)手段。而天氣氣候模式和大氣環(huán)境模式中對湍流作用的描述基本上都是采用近似的參數(shù)化方案,這些描述方案的準確性不高,仍有很大的改進空間。近年來數(shù)值模擬朝著精細化模擬的方向發(fā)展,這其中對湍流過程的模擬顯得尤為重要。所以,在描述大氣湍流過程方面取得的進展將直接促進大氣科學(xué)的發(fā)展。本書對涉及湍流過程的數(shù)值模擬方法有詳細的介紹,并對其中的問題有深入的論述,因此,本書對了解數(shù)值模式的模擬能力以及如何改進模式有重要的參考價值。
本書的獨到之處是大量使用公式和推導(dǎo),公式雖多,但并不是很難懂;用方程來幫助讀者從物理上理解湍流,并且對物理過程、物理機制的解讀細致到位,這對幫助讀者建立對湍流的認知、了解研究湍流的方法顯得尤為重要。雖然本書使用了大量的數(shù)學(xué)語言,但始終強調(diào)物理認知,圍繞方程的物理意義進行了耐心細致的討論和解讀,突出了數(shù)學(xué)與物理的統(tǒng)一,并且把觀測、實驗室模擬、解析推導(dǎo)、數(shù)值模擬結(jié)合起來,強調(diào)對湍流的物理認識。
本書內(nèi)容豐富,范圍寬廣,但并不冗長瑣碎,書中從不同方面對湍流問題進行分析和論述,體現(xiàn)了本書想要實現(xiàn)的目標,即讓讀者知道如何認識湍流、如何分析湍流、如何研究湍流、如何描述湍流,以及如何理解大氣湍流的獨特行為特征。全書共分三部分,各自的側(cè)重點不同,既相對獨立又有融合交叉,三部分內(nèi)容有機結(jié)合在一起,以期能達到融會貫通的效果。作者在寫作中采用第一人稱,這拉近了與讀者的距離;其次,作者的語言風(fēng)格簡明通俗;再者,作者的闡述由淺入深,逐步推進。這些都使得本書具有較強的可讀性。
本人在翻譯過程中力求保持原作的寫作風(fēng)格,努力使中譯本充分展現(xiàn)原著的風(fēng)貌。由于本人學(xué)識有限,翻譯當中理解不到位乃至謬誤之處在所難免,敬請讀者批評指正。
譯者序言
作者序言
第一部分 湍流的基本原理
第1章 導(dǎo)論
§1.1 湍流及其基本情況,以及我們的處理方法
§1.2 湍流的起源和性質(zhì)
§1.3 湍流與表面通量
§1.4 我們?nèi)绾窝芯客牧?br>§1.5 湍流方程
§1.6 湍流的主要性質(zhì)
§1.7 湍流流動的數(shù)值模擬
§1.8 湍流流動的物理模擬
§1.9 柯爾莫哥洛夫的貢獻
第2章 逐步認識湍流
§2.1 平均和瞬時特性的對比
§2.2 平均計算
§2.3 各態(tài)歷經(jīng)性
§2.4 平均值的收斂
§2.5 湍流譜和渦旋速度尺度
§2.6 湍流渦度
§2.7 湍流壓力
§2.8 渦旋擴散率
§2.9 雷諾數(shù)相似
§2.10 相干結(jié)構(gòu)
第3章 平均量的方程
§3.1 引言
§3.2 系綜平均方程
§3.3 對系綜平均方程的理解
§3.4 空間平均方程
§3.5 小結(jié)
第4章 湍流通量
§4.1 引言
§4.2 邊界層中的溫度通量
§4.3 標量擴散的質(zhì)量通量
§4.4 管道流的動量通量
§4.5 關(guān)于“混合長”
§4.6 小結(jié)
第5章 協(xié)方差的守恒方程
§5.1 簡介與背景
§5.2 擾動量方程
§5.3 舉例:標量方差的方程
§5.4 標量通量和雷諾應(yīng)力的收支
§5.5 一些應(yīng)用
§5.6 從協(xié)方差方程到湍流模式
附錄 標量通量和雷諾應(yīng)力收支方程中分子擴散項的尺度
第6章 大渦動力學(xué)、能量串級和大渦模擬
§6.1 引言
§6.2 關(guān)于空間平均的更多認識
§6.3 “假想問題”:平衡的均勻湍流
§6.4 在二維均勻流動中的應(yīng)用
§6.5 尺度間傳遞的物理機制
§6.6 大渦模擬
附錄6.1 TKE分解
附錄6.2 尺度間傳遞
第7章 柯爾莫哥洛夫標度率及其拓展。以及二維湍流
§7.1 慣性副區(qū)
§7.2 慣性區(qū)標度律的應(yīng)用
§7.3 耗散區(qū)間
§7.4 修正的柯爾莫哥洛夫標度律
§7.5 二維湍流
第二部分 大氣邊界層湍流
第8章 大氣湍流方程
§8.1 引言
§8.2 干空氣的控制方程
§8.3 考慮水汽、液態(tài)水及相變
§8.4 濕空氣的平均方程
第9章 大氣邊界層
§9.1 概述
§9.2 地表能量平衡
§9.3 浮力效應(yīng)
§9.4 平均結(jié)構(gòu)與瞬時結(jié)構(gòu)
§9.5 準平穩(wěn)與局地均勻
§9.6 平均動量方程
第10章 大氣近地層
§10.1 “常通量”層
§10.2 莫寧-奧布霍夫相似
§10.3 M-O相似的漸近行為
§10.4 偏離M-O相似關(guān)系
附錄 近地面的長度尺度
第11章 對流邊界層
§11.1 引言
§11.2 混合層:速度場
§11.3 混合層:保守標量場
§11.4 界面層
第12章 穩(wěn)定邊界層
§]2.1 引言
§12.2 黃昏時分陸上大氣邊界層的轉(zhuǎn)換
§12.3 準平穩(wěn)穩(wěn)定邊界層
§12.4 穩(wěn)定邊界層的演變
§12.5 模擬中性和穩(wěn)定邊界層的平衡高度
第三部分 湍流的統(tǒng)計學(xué)描述
第13章 概率密度與概率分布
§13.1 引言
§13.2 單變量標量函數(shù)的概率統(tǒng)計
§13.3 概率密度舉例
§13.4 概率密度的演變方程
第14章 各向同性張量
§14.1 引言
§14.2 笛卡爾坐標系中的張量
§14.3 確定各向同性張量的形式
§14.4 各向同性的含義
§14.5 局地各向同性
第15章 協(xié)方差、自相關(guān)和譜
§15.1 引言
§15.2 單變量標量函數(shù)
§15.3 標量的時空函數(shù)
§15.4 矢量的時空函數(shù)
§15.5 矢量與標量的聯(lián)合時空函數(shù)
§15.6 平面譜
第16章 湍流分析的統(tǒng)計學(xué)
§16.1 譜的演變方程
§16.2 對湍流信號的分析與理解
§16.3 探頭引起的氣流扭曲