自由大氣層

自由大氣層中，由於沒有摩擦力的作用，空氣的運動主要受氣壓梯度力和科里奧利力的影響。通常將單位距離內氣壓變化的大小稱為氣壓梯度，氣壓梯度使空氣產生運動的力稱為氣壓梯度力；科里奧利力或又簡稱為科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。

地球表面不同緯度的地區接受陽光照射的量不同，從而影響大氣的流動，在地球表面延緯度方向形成了一系列氣壓帶，如所謂“極地高氣壓、副極地低氣壓帶”、“副熱帶高氣壓帶”等。在這些氣壓帶壓力差的驅動下，空氣會沿著經度方向發生移動，風向風速自記儀利用這個原理製成，而這種沿經度方向的移動可以看作質點在旋轉體系

中的直線運動，會受到科里奧利力的影響發生偏轉。受到地表摩擦影響的大氣層稱為“大氣邊界層”。在接近地面的大氣層中，風受到大量的地面因素的影響，包括地表摩擦力、地表熱交換、濕度變化和地形變化等。大氣邊界層的範圍一般是從地表到2000米高度，在這個範圍內又分為3個區域:2米以下的底層、2米到100米範圍的下部摩擦層和100米到2000米的上部摩擦層。對於風電場而言，主要研究2米到100米區域的下部摩擦層。在大氣邊界層中，空氣運動是一種隨機的湍流運動。所謂湍流運動，是指雷諾數較大，慣性力對流場的影響大於薪滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的流場。對於湍流運動，無法用解析的方法來研究，主要用統計方法來描述。影響大氣邊界層風速的主要有以下幾個因素：大氣溫差引起的空氣上下對流運動；由於地表摩擦力的影響，風速隨高度變化;(3)由於地球自轉引起的科里奧利力隨高度的變化，風向隨高度變化；由於湍流運動引起的動量垂直變化，大氣湍流特性隨高度變化。風速是指單位時間內空氣在水平方向上移動的距離。由於空氣運動的湍流特性，導致風速的隨機變化。為了研究方便，平均風速隨時間和空間變化，平均風速的分佈具有一定的統計規律。根據已有的平均風速數據，可以計算並繪製出風速的概率密度曲線圖。平均風速的分佈可以用概率密度函數來描述，通常用威布爾(wethull)分佈和瑞利(Rayeigh)分佈來描述平均風速的分佈。威布爾分佈可以較好地擬合大部分情況下的風速分佈，但對於有些情況卻不能有效地擬合。要得到準確的平均風速的概率密度曲線，需要大量的風速實測數據。大氣運動是一個隨機過程，是一種湍流運動。脈動風中隨時間和空間的變化是隨機的，可以用數理統計的方法研究脈動風的特性。脈動風速的時間平均值為零，概率密度函數非常接近於高斯分佈。脈動風的統計特性包括湍流強度、湍流尺度和功率譜密度等。湍流強度描述了風速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風速的相對強度，是描述大氣湍流運動特性的最重要的特徵量。湍流強度的大小主要與離地高度和地面粗糙長度有關。湍流強度隨離地高度增加而減小，隨地面粗糙長度增加而增大。

大氣湍流運動是由許多不同尺度的渦旋運動組合而成的；不同大氣尺度的渦旋在大氣運動中起著不同的作用。風向風速監測儀可以很明顯地顯示出來這些大氣尺度中的風向和風速，湍流積分尺度是與脈動速度有關的渦旋的平均尺度。當兩點間距離小於湍流積分尺度時，則兩點經常處於同一個渦旋內，因此，兩點的脈動速度是相關的，渦旋的作用將增強；反之，當空間兩點間距大於湍流積分尺度時，則兩點經常處於不同的渦旋，因此，兩點的脈動速度是不相關的，渦旋作用會減弱。湍流積分尺度同樣與離地高度和地面粗糙長度有關。它隨離地高度增加而變大，隨地面粗糙長度增加而減小。