胡非
自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的香烟头附近细细的烟流；另一种则显得杂乱无章，看上去毫无规则，例如烟囱里冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流，也叫紊流，在日文文献中被叫作“乱流,更容易顾名思义。相对来说层流却是很少见的。 我们生活的地球被大气所包围，广义地讲，整个地球大气系统都可以看作是处在具有宽广尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实际应用价值。大气湍流以近地层大气表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运动的具体表现。大气湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使大气中的动量、热量、水汽、污染物等产生强烈混合和输送，能对建筑物、飞行器等产生作用和影响，还会使大气折射性质发生变化从而导至电磁波和声波被散射，湍流是一种开放的、三维的、非定常的、非线性的、并具有相干结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于一身。自从1883年Reynolds做了著名的实验以来，一百多年里一直是科学的前沿和挑战性问题之一。历史上，包括von Karman、Kolmogo rov、Landau和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得大的成功。在跨越了两个世纪之后的今天，尽管人们对湍流发生机理和湍流运动规律的了解有了很大的进展，湍流研究在工程技术上的应用也取得了很大的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全面，还有很多基本的问题没有搞清楚。例如：目前为止，科学家们还给不出湍流的严格科学定义，也没有到对湍流的解析和定量描述方法；尽管知道了控制流体运动的Navier-Storkes方程，但是由于该方程是强非线性、高自由度的偏微分动力系统，因而对其解析求解几乎是不可能的； Reynolds平均方程则遇到“不封闭”困难；湍流模式理论同样也因为对物理机制缺乏理解而并不很成功。母线排
总之，湍流仍然是摆在全世界科技工作者面前的难题。周恒院士指出，湍流问题不仅制约了航空、航天、水利、化工等许多工程技术和大气科学、海洋科学等自然科学的进一步发展，而且“也可能会对21世纪的某些新兴科学技术的形成起到制约作用”。
湍流是大气系统中复杂现象的集中体现。它主要是由大气动力状态和热力状态的不均匀作用而引起的。大尺度湍流还会受到地球旋转的影响，在研究天气演变和气候变化时它是非常重要的。通常所说的大气湍流主要还是集中在离地面1~2公里厚的一个薄层、即所谓大
气边界层内。由于特征尺度很大，大气边界层的Reynolds数相当高，湍流分布在很宽的尺度上，小到毫米尺度的旋涡，大到百米甚至公里尺度的旋涡均可能存在。因此比起普通的实验室(例如风洞中)湍流来，具有宽得多的谱带，大气湍流强度也很大，可达20%左右。大气边界层是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，地气之间物质和能量的交换过程大部分都是通过湍流输送来实现的，因此湍流始终是大气物理研究的核心问题，它与天气预报、气候预测等有非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动几乎都是发生在这一层次内，所以大气湍流研究对于工业、农业、国防建设和环境保护等亦具有十分重要的意义。除了大气边界层中存在明显湍流外，在自由大气的积云中或强风速切变的晴空区，也存在着湍流。
早在1915年，著名湍流学者G.I.Taylor半透明纸就开始了大气湍流研究，当时流体力学家对湍流问题的研究也才刚开始不久。著名的湍流能谱“-5/3定律”就是首先在大气中得到实验证实的。对于湍流研究来说，可以认为大气是最大的天然实验室，我们一方面可以借鉴普通湍流研究的成果来应用于大气湍流研究，另一方面也可以从大气湍流中发现和引伸出某些具有普遍意义的问题来，促进湍流基础理论的研究。但是，大气湍流问题要比普通流体动力学湍流复杂。除了经常存在风速剪切外，还存在着密度分层(或温度层结)、下垫面不均匀等许
多复杂因素。尤其是由于地表和大气热力作用的影响导致大气边界层随时间的变化，从而影响湍流结构。大气湍流的探测也不象实验室湍流那样易于进行。
近半个世纪以来，以Monin-Obuhov提出的相似理论、Deardorff指尖文字识别提出的大涡模拟、美国Kansas州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。未来大气湍流研究存在的问题或面临的难题有哪些呢？
一、大气湍流的发生机制
大气湍流的发生机制可分为动力学机制和热力学机制两大类。前者主要从大尺度剪切流中获取能量，后者则主要由热对流引起。通常情况下是动力和热力同时起作用。大气边界层平均场的稳定性对于研究大气湍流的发生具非常重要的意义。主要包括重力不稳定，例如斜压和对流不稳定，以及风切变不稳定，例如正压不稳定和Kelvin-Helmholtz波。夜间边界层中波与湍流的相互作用涉及非线性不稳定性问题。三力平衡的Ekman流场在一定的扰动条件下也是不稳定的。白天对流边界层和夜间稳定边界层在日出日落时期的风、温场结构的转变实际上就是一种稳定性向另一种稳定性的转变。作为连续介质的边界层大气，在从
层流到湍流的演变过程中，其物理图案和力学规律上的改变究竟对应着哪些数学性质的改变？除了Reynolds数外和另一个控制参数，即Richardson数 Ri以外，是否还存在其它重要的控制因子？
此外，在大气锋面、气旋、高空槽、切变线、地形等附近，湍流的发生机制也同样是重要的研究课题。
二、大气湍流的间歇性和标度律
已有大量的研究表明，大气湍流不是在时间和空间上处处充满的，从时间上看湍流与非湍流(层流)是交替出现的，从空间上看，湍流与非湍流共存并且交织在一起，但有明显的分界面，即具有间歇性。在湍流边界层的外缘处，或者是在烟囱中冒出的浓烟的边缘以及天空中积云与蓝天的交界面上，都可以看到这种间歇性现象。它主要与流动的外部边界条件或流动的大尺度结构有关，因此称为外间歇性。
与上述外间歇性不同，实验发现在已经充分发展的小尺度湍流中还存在着另一种间歇
穴盘性，即某些物理量，例如能量耗散率ε(与速度梯度的平方有关)，不是均匀分布在流场中的；
相反，在有些区域非常活跃，在另一些区域则非常微弱。这种情况对于高阶物理量或物理量的高阶导数更加明显。这就是湍流的内间歇性，它是首先由Batchelor 防误闭锁和Towsend在风洞实验中发现的，后来在大气湍流中也被证实，有人称之为湍流的微结构间歇性。人体检测
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