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大气湍流1. 引言大气湍流是指大气运动中的混乱和不规则的流动现象。
它是大气中能量、质量和动量交换的主要机制之一，对于气象学、空气污染、飞行器设计等领域具有重要意义。
本文将介绍大气湍流的定义、形成机制以及其在气象学领域的应用。
2. 定义大气湍流是指大气中的流体运动过程中发生的无序、不规则和混乱的现象。
与稳定流动相比，湍流流动具有高频振荡、高强度涡旋以及较强的空间和时间变化特征。
湍流流动常常伴随着体积的扩散和质量的混合，是大气中能量和质量交换的重要机制之一。
3. 形成机制湍流流动是由于大气中流体的不均匀加热和不均匀地转化为动能所引起的。
当大气中的温度、湿度或风速等参数存在不均匀性时，会导致流体的密度、压力和速度的不连续分布，从而产生湍流现象。
湍流的形成机制主要包括两条路径：湍流能量级联和逐级能量耗散。
湍流能量级联是指湍流在不同空间尺度上的能量转移过程。
能量从大尺度的湍流运动逐渐转移到小尺度的湍流运动中，直至最终以分子热传导方式耗散。
这种能量级联过程称为能量级联般克努森级联。
逐级能量耗散是指湍流在形成和维持的过程中，由于粘滞力的作用而逐渐耗散的能量。
粘滞力使流体分子之间相互摩擦，产生阻力，从而将动能转化为分子热能。
逐级能量耗散也称为耗散级联。
4. 大气湍流的特征大气湍流具有以下几个主要特征：•非线性：大气湍流是非线性的流动现象，其运动方程由非线性项支配。
这种非线性性质使得湍流流动难以精确预测和描述。
•随机性：大气湍流具有随机性，即其运动是随机变化的。
湍流运动在时间和空间上都具有不规则和不可预知的特征。
•多尺度性：大气湍流涉及到多种空间尺度的运动。
湍流的能量从大尺度逐渐转移到小尺度，形成多个不同尺度的涡旋结构。
•扩散性：大气湍流具有扩散特性，即湍流能够使不同物质之间的质量发生混合和扩散。
这种扩散性是大气中质量交换的重要机制之一。
5. 大气湍流的应用5.1. 气象学在气象学中，大气湍流是一个重要的研究课题。
1.引言湍流是大气层中普遍存在的一种现象，它是由于不同速度、密度和温度的空气相互作用而引起的。
湍流现象在大气科学和气象学中具有重要的研究意义，对于了解大气运动、气候变化以及预测天气等方面都有着重要的影响。
2.湍流的定义湍流可以被定义为一种不规则的、无序的流动状态，其中的气流速度和方向随时间和空间的变化而发生突然的、随机的波动。
与湍流相对的是层流，层流是指气流以规则的、有序的方式流动。
湍流现象在大气层中广泛存在，从微观到宏观尺度都能观察到。
3.湍流的形成原因湍流的形成主要受到以下几个因素的影响：3.1.不均匀性：大气层中存在着各种不均匀性，比如地表的地形起伏、不同区域的温度差异和气压梯度等。
这些不均匀性会导致气流的速度和方向发生变化，从而引发湍流现象。
3.2.惯性：空气具有质量和惯性，当气流受到外力的作用时，会产生惯性力。
惯性力对气流的速度和方向产生影响，促使气流发生湍流运动。
3.3.粘性：空气具有一定的粘性，当气流经过不同介质或物体表面时，会受到粘性力的作用。
粘性力会使气流发生湍流现象，并形成涡旋结构。
4.湍流的特征湍流的主要特征包括速度波动、能量分布的不均匀性和尺度层次的多样性。
4.1.速度波动：湍流中的气流速度会随时间和空间的变化而发生快速而不规则的波动。
这种速度波动导致了湍流的无序性和难以预测性。
4.2.能量分布的不均匀性：湍流中的能量分布非常不均匀，大部分的能量集中在较小的空间范围内。
这种不均匀性使得湍流的能量传递和分布变得复杂且难以解析。
4.3.尺度层次的多样性：湍流现象在不同尺度上都能观察到，从微观的涡旋结构到宏观的大气环流系统都存在湍流现象。
这种多样性使得湍流的研究变得复杂且具有挑战性。
5.湍流的影响湍流现象对大气运动和气象学有着重要的影响。
5.1.大气运动：湍流是大气层中能量和质量传递的重要机制之一。
它通过混合和扩散作用，导致气流速度和方向的变化，进而影响大气的运动和循环。
5.2.气候变化：湍流现象对气候变化有着重要的影响。
大气湍流机理及其模拟对于大气系统来说，湍流是一个非常重要的现象，它存在于大气中的许多过程中，如边界层的形成、天气系统的演变等。
湍流丰富了大气的物理现象，但同时也增加了对大气的模拟和预测的难度。
本文将介绍大气湍流的机理和模拟方法。
一、湍流的机理湍流的起因是流体在过程中受到扰动，这些扰动会引起流体的速度、密度等物理量发生变化。
在湍流发展的过程中，流体速度的各向异性和空间的不规则性增大，流体中的大尺度涡旋逐渐分裂成小尺度涡旋，这些小尺度涡旋不断转化能量，最终会被湍流耗散。
湍流的机理非常复杂，目前还没有完全解决。
基于大气湍流机理的研究，可以分为两个方向：传统的湍流建模和基于数据的机器学习方法。
传统湍流建模主要是基于质量、动量和能量守恒等定律，结合统计理论和实验数据，来建立起湍流的物理模型。
而基于数据的机器学习方法，是利用机器学习算法对海量数据进行分析，从而发现湍流的统计规律。
二、湍流的模拟方法湍流模拟的方法有很多，如数值模拟方法、直接数值模拟方法、大涡模拟方法等。
其中，数值模拟方法是目前使用最广泛的湍流模拟方法，主要分为Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS）和雷诺平均Navier-Stokes方程（LES）两类。
RANS方程是基于湍流平均的模型，将流场分解为平均流和湍流脉动，其中平均流体现了湍流的空间分布，湍流脉动则描述了湍流的时间变化。
RANS方程通过假设某些量在湍流平均后不变，来减少不可控因素的影响，从而简化了计算。
但是，由于RANS方程是基于平均流假设的，所以不能准确地模拟湍流的涡旋结构和流体运动过程。
LES方法是一种基于大涡模拟的方法，通过求解Navier-Stokes方程的高频分量，来描述湍流的小尺度结构和动态特征。
由于LES方法可以解决湍流脉动的时间变化，所以能够更精确地模拟湍流的涡旋结构和流体运动过程。
三、结论综上所述，湍流现象是大气系统的一个重要现象，对于天气系统的演变和边界层的形成有着巨大的影响。
大气湍流对红外的影响概述及解释说明1. 引言1.1 概述大气湍流是指大气中存在的一种不规则、无序而且具有随机性的气体运动现象，其对红外辐射的传输产生了重要影响。
红外辐射在军事、航空航天、气象等领域应用广泛，因此了解大气湍流对红外辐射传输的影响机制对于优化红外成像系统的设计和提高其性能至关重要。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对大气湍流对红外辐射的影响进行深入研究。
首先，我们将介绍大气湍流概念及其特征，并讨论导致湍流形成的因素。
接着，我们将探讨红外辐射的基本特性以及在不同波长区域和应用领域中所具有的潜力。
然后，我们将说明红外传感器工作原理以及其在红外成像系统中的应用。
通过以上内容的铺垫，我们将详细介绍目前关于大气湍流对红外辐射影响机制研究的最新进展，包括温度涨落效应、折射率涨落效应以及散焦与模糊效应等方面，并总结当前存在的挑战和问题。
最后，我们将对现有解决方案进行分析并评估其优缺点，并展望未来研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面概述大气湍流对红外辐射的影响，并深入解释其影响机制。
通过对国内外相关研究成果的综述和分析，可以为红外成像系统的设计和性能提升提供参考，并为未来相关研究提出新的创新思路和方向。
2. 大气湍流概述:2.1 定义与特征:大气湍流是指在大气层中存在的一种不规则运动现象，具有随机性和不可预测性。
它是由于大气中温度、湿度、风向等因素的变化引起的。
大气湍流通常表现为空气的快速混合和乱流运动，导致空间和时间上的非均匀性。
大气湍流具有以下主要特征：- 无规则性: 大气湍流运动没有明确的周期性或规律性，其运动模式会不断变化。
- 尺度范围广: 大气湍流可以出现在非常小的尺度（例如微观颗粒周围）到非常大的尺度（例如行星尺度）之间。
- 能量耗散: 大气湍流会使空气能量从大尺度逐渐转移到小尺度，并最终以热能形式耗散掉。
2.2 影响因素:多个因素会影响大气湍流的生成和发展，其中包括：- 空间和时间上的温度差异: 温度差异会导致空气密度不均匀，从而产生湍流运动。
1.引言大气层是地球上最重要的自然资源之一。
它不仅为我们提供了呼吸所需的氧气，还维持了地球的温度和气候平衡。
然而，大气层并不是一个静态的系统，而是充满着各种各样的运动现象。
其中，大气湍流现象是大气层中最为常见和复杂的运动之一。
本文将探秘大气层中的大气湍流现象，并探讨其对气候和天气的影响。
2.什么是大气湍流现象？大气湍流现象是指大气中流体运动的一种随机、混沌和不规则现象。
它由于空气分子的热运动引起，存在于各种尺度和时间范围内。
从微观上看，大气湍流是由于分子运动的碰撞和混合，使得空气在空间中形成了无序的旋涡和涡旋。
从宏观上看，大气湍流可以表现为气流的剧烈扰动、旋转和涡旋的形成。
3.大气湍流的形成机制大气湍流的形成机制非常复杂，涉及到多种因素的相互作用。
其中，最主要的因素是地球的旋转和地表的不均匀加热。
由于地球自转的影响，空气在赤道附近的热带地区向大气层的上层流动，形成了所谓的风系。
而地表的不均匀加热，则会导致空气的温度和密度差异，从而引发湍流现象。
4.大气湍流的尺度和时间范围大气湍流的尺度和时间范围非常广泛，从小到大可以达到几厘米到数百千米的大小。
在时间上，大气湍流可以持续几分钟到几天甚至更长时间。
这种广泛的尺度和时间范围使得大气湍流成为了气象学中重要的研究对象。
5.大气湍流对天气的影响大气湍流对天气的影响非常显著。
它会导致气象现象的变化和不确定性，例如风的方向和强度的突然变化、云的形成和消散、降水的分布等。
大气湍流还可以导致风暴和气旋等极端天气事件的发生。
因此，对大气湍流的研究对于天气预报和气候变化的预测具有重要意义。
6.大气湍流对气候的影响除了对天气的影响外，大气湍流还对气候的形成和变化起着重要作用。
它可以影响气候系统中的能量和物质传输，从而调节地球的能量平衡和气候分布。
例如，大气湍流可以将热量从赤道地区向极地地区输送，使得赤道地区保持温暖，而极地地区保持寒冷。
大气湍流还可以通过将湿空气从海洋输送到陆地上，形成降水，影响降水的分布和强度。
气象测绘中的大气湍流影响与校正方法解析引言：气象测绘是研究大气现象的科学领域，通过观测和记录天气条件、气候模式和气候变化以及其他与大气有关的参数，从而帮助我们理解和预测天气情况。
然而，大气湍流是一种不可忽视的因素，它对气象测绘的精确度和准确性产生着重要影响。
本文将解析大气湍流的影响以及相应的校正方法。
一、大气湍流的概念与特征大气湍流是大气中流速和温度等物理量的不规则、随机的空间和时间变化。
它是由于地表和大气层之间的动量和能量交换而产生的。
大气湍流的特征包括涡旋、旋涡、不规律性和随机性。
这种不可预测性使得气象测绘中的精确度存在困难。
二、大气湍流对测绘结果的影响1. 测量仪器性能：大气湍流会对测量仪器的工作稳定性产生影响，使得测绘结果具有一定的误差。
例如，它会导致测量传感器的抖动，进而影响气温、湿度以及风向风速等参数的测量准确性。
2. 数据采集和处理：大气湍流使得气象测绘中的数据采集和处理变得复杂。
传感器在不同位置和时间的测量值会出现明显的差异，这导致了数据的不一致性和不可靠性。
因此，需要进行相应的数据处理和校正。
三、大气湍流校正方法1. 模型模拟：基于数学模型来模拟大气湍流现象是一种较为常见的校正方法。
通过收集气象数据并结合统计推断和计算流体力学原理，可以建立适当的模型来预测和校正大气湍流的影响。
这种方法具有一定的可行性，但在实际应用中仍存在一定的限制。
2. 传感器技术改进：改进和更新测绘传感器的技术是另一种校正大气湍流的方法。
例如，采用更灵敏的传感器和传感器阵列来提高测量的空间分辨率和时间分辨率，从而减小大气湍流对测绘结果的影响。
此外，使用先进的数据处理算法和技术，可以提高数据精度和准确性。
3. 参考站点矫正：通过选择并设置合适的参考站点来校正大气湍流的影响。
参考站点应具有代表性，在地理分布、气候特征和观测仪器等方面与目标站点相似。
通过收集参考站点和目标站点的数据进行对比和校正，可以减小大气湍流对测绘结果的影响。
大气湍流对建筑物热舒适性的影响与优化设计前言：在如今城市化进程迅猛发展的背景下，人们对建筑物的热舒适性要求越来越高。
而大气湍流作为影响建筑物热舒适性的重要因素之一，对于建筑设计和使用具有重要意义。
本文将探讨大气湍流对建筑物热舒适性的影响，并探索优化设计的方法。
一、大气湍流与建筑物热舒适性的关系1.大气湍流的定义和特征大气湍流是指空气在不同密度和温度下形成的不稳定气流，具有强烈的无序性和突发性。
大气湍流的特征包括速度波动、湍流能量耗散、涡旋形成等。
2.大气湍流对建筑热环境的影响大气湍流会在建筑物周围产生空气对流和传热，直接影响建筑物的热环境和热舒适性。
对建筑物外立面而言，大气湍流可导致热损失或热收益，影响建筑物的能耗和室内温度分布。
对室内空气而言，大气湍流会影响内部气流的传递和混合，进而影响热舒适感。
二、大气湍流对建筑物热舒适性的影响机制1.建筑物外立面的热损失与热收益在大气湍流的作用下，建筑物外立面可能发生形状和大小不一的湍流流动，从而导致热交换的增加。
对于隔热材料较好的建筑物而言，大气湍流可导致热损失的增加；对于采暖设备辐射热收益较大的建筑物而言，大气湍流可导致热收益的增加。
2.室内气流的传递和混合大气湍流会使室内产生湍流气流，加速热量的传输和混合。
这一现象可能导致室内温度分布不均匀，一些区域过热，另一些区域则较为寒冷，影响人们的热舒适感。
三、优化设计方法1.建筑物外立面设计优化为了减小大气湍流对建筑物外立面的热交换影响，可以通过优化材料选择、外墙设计等方式进行改善。
例如，采用隔热性能好的材料，增加外墙保温层的厚度等。
2.室内空气流动控制通过设计空气流动导向装置，调整室内空气流动路径，可以减小大气湍流对室内热舒适性的影响。
例如，在通风口设置风道和风口导流板，有助于引导空气流动。
3.热辐射利用和控制对于采暖设备辐射热收益较大的建筑物而言，通过合理布局采暖设备，可最大化利用大气湍流带来的热收益。
例如，合理设置辐射热源和热辐射传热面，以增加热辐射的覆盖范围。
大气湍流对气象观测的影响分析在气象学领域，气象观测是获取大气状态和变化信息的重要手段，对于天气预报、气候研究以及各种与大气相关的活动都具有至关重要的意义。
然而，大气湍流这一复杂的大气现象，给气象观测带来了诸多挑战和影响。
大气湍流，简单来说，就是空气在运动过程中表现出的不规则、紊乱的流动状态。
它使得大气中的各种物理量，如温度、湿度、风速和风向等，在时间和空间上发生快速且无规律的变化。
首先，大气湍流对温度观测产生显著影响。
由于湍流的存在，热量在大气中的传递变得极为复杂和不稳定。
原本较为均匀的温度场被打乱，导致观测到的温度值出现频繁的波动。
这不仅增加了测量的误差，还使得对温度变化趋势的准确判断变得困难。
在地面气象观测中，传感器所接触到的空气可能在瞬间来自不同的高度和方向，从而带来温度的突变。
而在高空观测中，湍流更是使得温度随高度的变化规律变得模糊不清，影响了对大气热力结构的准确研究。
湿度观测同样受到大气湍流的干扰。
大气中的水汽分布本就不均匀，再加上湍流的作用，使得水汽在短时间内迅速混合和重新分布。
这导致湿度传感器所测量到的湿度值出现快速的起伏，降低了观测数据的准确性和可靠性。
而且，湍流还可能将原本干燥的空气迅速带入观测区域，或者将湿润的空气带走，从而造成湿度观测的偏差。
风速和风向的观测也深受大气湍流的影响。
湍流使得风的流动方向和速度不断变化，形成了所谓的“阵风”和“乱流”。
这使得风速计和风向标所测量到的数值具有较大的瞬时波动，难以准确反映平均风速和风向。
在一些强湍流的情况下，甚至可能出现风向在短时间内发生大幅度变化的情况，给气象观测和分析带来极大的困扰。
大气湍流还会对气压观测产生一定的影响。
虽然气压的变化相对较为缓慢，但湍流引起的空气垂直运动和混合，可能导致局部气压的快速调整。
这种局部气压的波动在常规的气压观测中可能被误认为是大范围的气压变化，从而影响对大气环流和天气系统的分析。
除了对单个气象要素的直接观测产生影响外，大气湍流还会通过干扰观测仪器的性能间接影响气象观测。
大气湍流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、Kolmogorov、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，也没有找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。
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 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 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。
在湍流运动中，还发现了另一个重要的特征，就是存在标度不变性。
这是一种新的、在Re很大时出现的宏观对称性。
实际上，在相变和临界现象都存在类似的标度不变性。
这是一种普遍现象，因而有普遍的规律：即标度律，大气湍流中“2/3定律”、“-5/3定律”都是标度律的例子，到目前为止已有的湍流理论均不能很好地解释这些定律。
尽管过去的30多年中涌现了大量的理论模型，如β模型，层次结构模型等，但是湍流间歇性和标度律的机理仍不十分清楚，近年来发现它们与混沌和分形有着密切的联系，背后可能隐藏着重大的非线性复杂系统的理论问题。
人们还发现间歇性还会导致所谓反常标度规律的出现。
充分发展的大气湍流尺度很宽，多种运动模态都能被激发，是研究湍流间歇性和标度律的理想对象，存在着不少具有挑战性的课题。
三、大气湍流的拟序结构拟序结构是指在相互作用中保持的一种有序的动态图像，非线性系统的相互作用产生的稳定而持久的动态过程是自然界广泛存在的一类极为重要的现象，一直受到科学家的重视。
拟序结构原是湍流理论中的一个术语。
科学家们已证实，自然界中非线性拟序结构范围是10-9─108米，如木星大气湍流中保持稳定拟序结构的巨型红斑；固体物理学中原子尺度上的电荷密度波；化学反应波；激波以及孤立波等。
并且已经发现所有拟序结构，包括孤立子拟序结构和非孤立子拟序结构都具有非线性效应和弥散力巧妙平衡这一共同特性。
从观测实验中发现，大气边界层湍流场中经常存在有组织的拟序结构。
例如白天的对流涡旋结构、螺旋结构和夜间的多层逆温结构，又例如湍流温度场和湿度场中存在的“斜坡结构”等，它们是边界层的“胫骨”，对动量、能量和热量的输送具有重要影响。
它们产生的物理机制是什么？实验上又如何测量和分析？从数学上应该怎样描述？Lumley提出的本征正交分解方法（POD）和近年来迅速发展的小波变换方法对于从大气湍流信号中检测拟序结构起到了很大的帮助作用。
四、稳定层结条件下的大气湍流稳定层结条件下的大气湍流或弱湍流问题是长期以来就是一个的难点。
由于湍流比较微弱，存在较强的时空间歇性，测量和建模都比较困难，建立在发达和均匀各向同性湍流模型上的经典理论几乎都不能适用。
晴朗的夜间，日落之后地表失去热源，因长波辐射而冷却，大气变为稳定层结，白天充分发展起来的湍流也随之开始减弱，在非均匀地表条件下，夜间大气边界层中有时还存在湍流与波共存并产生相互作用的现象，因此是非常困难的问题，尚需大力开展研究。
生态系统与大气之间物质和能量的交换极其重要，农作物和森林等植物冠层内的湍流同样是较弱的，因而如何准确估算其水份和二氧化碳通量也成了一个急需解决的难题。
五、大气湍流的混沌动力学特征最近十几年来非线性科学的迅速发展给大气湍流研究注入了新的活力。
特别是混沌理论和分形理论的出现，对于解释大气湍流的发生、描述湍流场复杂的几何结构等，都提供了新的途径，并带来了许多新的研究课题。
例如奇怪吸引子和分形的概念以及怎样由观测的时间序列重构吸引子等。
目前已经从分析超声风速仪观测的资料中发现，大气湍流在相空间中存在着混沌吸引子，其维数大于３，从而可以推测建立简化的大气湍流动力学模型所需要的独立变量的个数，这使人们不依赖于Navier-Stokes方程也可以研究湍流的某些动力学特性。
混沌理论的思想和方法，为大气湍流研究注入了新的活力，科学界有一种观点认为，湍流研究已经从过去的半经验理论和统计理论研究步入到动力学理论研究的新阶段。
解决大气湍流中的拟序结构、间歇性和反梯度输送（所谓“负粘性”现象）等问题的出路可能在于放弃过去理论界较流行的侧重于随机性的湍流模型，去寻找非线性的、兼具随机性和确定性的理论模型，而且这个模型应能对已成定论的那些实验结果（例如“－５／３定律”）作出较为统一的解释，而不是象现在的许多模型那样顾此失彼。
六、大气湍流的数值模拟由于大气湍流比一般的工程湍流的雷诺数要高得多，自由度巨大，因此在当前的计算机条件下进行直接数值模拟是行不通的，即使是能够直接求解Navier-Storkes方程，所得的结果如何进行统计平均后与实验结果相比较并用于实际？这又涉及到对湍流本质的了解问题，同样是困难的。
在未来一段时期内，除了常用的高阶矩模式、k -ε模式等，在大气湍流数值模拟方法中，可能会得到大力发展和应用的是大涡模拟。
该方法虽然还不能用于天气和气候等大尺度问题，但非常其适合于研究大气边界层湍流，可以提供丰富的大涡旋信息，极大地弥补其它模式和实验测量的不足。
