邊界層氣象學(xué)試題庫(kù)

1、一、名詞解釋 (每小題 6 分，共 30 分)1. 雷諾數(shù)ReUL/v=特征慣性力/特征粘性力。Re數(shù)是判斷兩粘性流體運(yùn)動(dòng)是否相似的重要判據(jù)之一。2. 總體理查遜數(shù)Rb=gvvzvU2+(V)23. 雷諾平均對(duì)于任一物理量，當(dāng)定義平均值后，可將湍流運(yùn)動(dòng)表示為 湍流運(yùn)動(dòng)=平均運(yùn)動(dòng)+脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)。而將任意實(shí)際物理量表示為：A=A+A'，則為雷諾平均。4. 大氣邊界層大氣的最低部分直接受下墊面（地面）影響的層次，或者說(shuō)大氣與下墊面相互作用的層次。大氣邊界層厚度的時(shí)空差異很大，平均厚度為地面以上約1km的范圍，以湍流運(yùn)動(dòng)為主要特征。還可細(xì)分為近地層（大氣邊界層下部約1/10的厚度內(nèi)）和Ekman層

2、。大氣邊界層又稱(chēng)行星邊界層，是指存在著連續(xù)性湍流的低層大氣：（1）湍流是邊界層大氣的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)，對(duì)地表面與大氣間的動(dòng)量、熱量、水汽及其他物質(zhì)的輸送起著重要作用；（2）地球表面熱力強(qiáng)迫的日變化通過(guò)湍流混合擴(kuò)散使得邊界層中氣象要素呈現(xiàn)日周期的循環(huán)。5. 定常湍流如果這些湍流統(tǒng)計(jì)參數(shù)不隨時(shí)間變化，就稱(chēng)為平穩(wěn)湍流或定常湍流；此時(shí)，足夠長(zhǎng)時(shí)間的平均即接近于總體平均。6. 均勻湍流如果統(tǒng)計(jì)參數(shù)不隨空間變化，稱(chēng)之為均勻湍流；此時(shí)，足夠大的空間平均也接近于總體平均。7. 普朗特混合長(zhǎng)湍流運(yùn)動(dòng)中，單位質(zhì)量的流體微團(tuán)含有某種特性量q ，如果 q 是被動(dòng)的，即不影響流體的運(yùn)動(dòng)情況； q是保守的，即在運(yùn)行距離 之后

3、，q值守恒。在湍流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中特性量q 保持不變（失去原有特性）前所走過(guò)的距離，稱(chēng)之為混合長(zhǎng)。8. 常值通量層近地層較薄，可近似認(rèn)為動(dòng)量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化（風(fēng)向也幾乎不隨高度改變），各種通量近似為常值，故稱(chēng)為常值通量層。常值通量層通常指的是動(dòng)量常值通量層。9. Monin-Obukhov長(zhǎng)度L=-u*3kgw''=u*2kg*10. 動(dòng)力內(nèi)邊界層上游來(lái)流為中性大氣，氣流從一種粗糙度表面躍變到另一種粗糙度的下墊表面，在地面的動(dòng)力強(qiáng)制作用下，在新的下墊面上空將形成一個(gè)內(nèi)邊界層，即動(dòng)力內(nèi)邊界層。11. 熱力內(nèi)邊界層氣流從一種溫度的下墊表面過(guò)渡到另一種溫度的下墊

4、表面，在地面的熱力強(qiáng)制作用下，在新的下墊表面上空將形成一個(gè)內(nèi)邊界層，即熱力內(nèi)邊界層。12. Ekman螺線在大氣邊界層中，風(fēng)隨高度增加，風(fēng)向與地轉(zhuǎn)風(fēng)向之間的夾角逐漸減小，而風(fēng)速逐漸增大，即在北半球風(fēng)向右偏轉(zhuǎn)逐漸趨于等壓線方向，風(fēng)速亦逐漸增趨于地轉(zhuǎn)風(fēng)速。如果將所得的風(fēng)隨高度的變化畫(huà)成風(fēng)矢端軌跡圖，即是所謂Ekman螺線。13. 海陸風(fēng)在大水域（海洋和湖泊）的沿岸地區(qū)，在晴朗、小風(fēng)的氣象條件下，邊界層內(nèi)常觀測(cè)到向岸和離岸風(fēng)的交替變化。 白天邊界層下部的氣流來(lái)自海面，稱(chēng)海風(fēng)；夜間則風(fēng)向相反，稱(chēng)作陸風(fēng)。邊界層上層的風(fēng)向則和下部相反，并在一定的范圍內(nèi)可以觀測(cè)到上升或下沉氣流，整個(gè)海風(fēng)或陸風(fēng)的出現(xiàn)保持著一

5、種環(huán)流的形式。海陸風(fēng)是由于水平溫度分布不均一所引起。二、簡(jiǎn)答題1. 簡(jiǎn)述大氣邊界層的主要特征。1） 大氣運(yùn)動(dòng)的湍流性：湍流輸送是地面和大氣之間進(jìn)行動(dòng)量、熱量和水汽交換的主要渠道湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散交換本身影響著溫度和風(fēng)速的垂直分布行星邊界層的形成是大氣與其下墊面相互作用的結(jié)果。2） 大氣邊界層中的風(fēng)溫廓線：3） 大氣邊界層的日變化：邊界層中氣象要素的時(shí)間變化具有明顯的日變化特征。表面加熱和冷卻的日循環(huán)引起熱力穩(wěn)定度的日變化，從而影響湍流混合和動(dòng)量交換過(guò)程，進(jìn)而邊界層中風(fēng)的分布。4） 大氣邊界層的風(fēng)向有規(guī)則地隨高度右旋（北半球）地球自轉(zhuǎn)而形成的柯氏力的影響。5） 大氣邊界層比一般流體邊界層更為復(fù)雜

6、。不僅有動(dòng)力作用、還存在熱力作用溫度分布影響著湍流脈動(dòng)動(dòng)能。2. 大氣邊界層的主要過(guò)程及其主要作用是什么？湍流過(guò)程（1）湍流輸送；（2）大氣能量平衡；（3）層結(jié)和風(fēng)重要作用：1）水汽通量；（2）感熱通量 （3）摩擦消耗 （動(dòng)量、動(dòng)能匯區(qū)）氣象要素的輸送 + 大氣污染物的輸送3. 大氣邊界層中可分為哪些層次？簡(jiǎn)述各自的主要特征。1） 粘性副層（微觀層）：分子輸送過(guò)程處于支配地位，分子切應(yīng)力遠(yuǎn)大于湍流切應(yīng)力。2） 近地層（常值通量層）：大氣受地表動(dòng)力和熱力影響強(qiáng)烈，氣象要素隨高度變化激烈，運(yùn)動(dòng)尺度小，科氏力可忽略。由于近地層很薄和湍流擴(kuò)散強(qiáng)烈混合的結(jié)果，該層中動(dòng)量、熱量和水汽的鉛直輸送通量不隨高度

7、變化，同樣原因，近地層中風(fēng)向也不隨高度變化。3） Ekman層（上部摩擦層）：在這一層里，湍流粘性力、科氏力和氣壓梯度力同等重要，需要考慮風(fēng)隨高度的切變。4. 簡(jiǎn)述湍流的基本特征。（1）隨機(jī)性：湍流是非規(guī)則的，混亂的、不可預(yù)測(cè)的；（2） 非線性：湍流是高度非線性的。當(dāng)流動(dòng)達(dá)到某一特定狀態(tài)，如Reynolds數(shù)或Richardson數(shù)超過(guò)某臨界值，流動(dòng)中的小擾動(dòng)就會(huì)自發(fā)地增長(zhǎng)，并很快達(dá)到一定的擾動(dòng)幅度；（3）擴(kuò)散性：湍流會(huì)引起動(dòng)量、熱量及流動(dòng)中的其他物質(zhì)快速擴(kuò)散；（4）渦旋性：利用湍流的可視化，例如將幾滴顏料注入湍流運(yùn)動(dòng)的水中，表明湍流結(jié)構(gòu)可設(shè)想成由無(wú)數(shù)大小不同的湍渦組成，它們分裂、合并、拉長(zhǎng)、

8、旋轉(zhuǎn)。最大的湍渦可達(dá)到整個(gè)湍流層的寬度，小的可到毫米的量級(jí)。它們相互疊加在一起，構(gòu)成湍流的渦旋結(jié)構(gòu)；（5）耗散性：湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞，最后通過(guò)分子粘性耗散成為熱能。5. 湍流產(chǎn)生的原因是什么？從能量學(xué)的觀點(diǎn)，湍流存在和維持可分為哪三大類(lèi)型？大氣湍流的能量來(lái)源于機(jī)械運(yùn)動(dòng)作功和浮力作功兩方面前者是在有風(fēng)向風(fēng)速切變時(shí)，湍流切應(yīng)力對(duì)空氣微團(tuán)作功；后者是指在不穩(wěn)定大氣中，浮力對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的空氣微團(tuán)作功，使湍流增強(qiáng)；在穩(wěn)定大氣中，隨機(jī)上下運(yùn)動(dòng)的空氣微團(tuán)要反抗重力作功而失去動(dòng)能，使湍流減弱。（1）風(fēng)切變產(chǎn)生的湍流； （2）對(duì)流湍流； （3）波產(chǎn)生湍流6. 簡(jiǎn)述大氣邊界層中近地層的主要特點(diǎn)？行星邊

9、界層一般分為兩層：近地層和Ekman層。近地面層是大氣邊界層的底層，一般為幾十米，約為大氣邊界層高度的1/10 ，隨大氣邊界層厚度的增加或減薄而相應(yīng)變化。近地面層中，科氏力和氣壓梯度力的作用相對(duì)于湍流切應(yīng)力可略去不計(jì)，大氣結(jié)構(gòu)主要依賴(lài)于垂直湍流輸送。 近地層較薄，可近似認(rèn)為動(dòng)量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化（風(fēng)向也幾乎不隨高度改變），各種通量近似為常值，故稱(chēng)為常值通量層; 大氣受地球表面的動(dòng)力和熱力的強(qiáng)烈影響，氣象要素的垂直變化激烈，比邊界層的中、上部更為顯著； 運(yùn)動(dòng)尺度較小，科氏力可略去不計(jì)，風(fēng)向隨高度幾乎無(wú)變化。在Ekman層，湍流粘性力和柯氏力及氣壓梯度力同樣重要，三者具有

10、相同量級(jí)，風(fēng)向隨高度的切變不能忽略，氣象要素隨高度的變化比較平緩。7. 通常推導(dǎo)大氣邊界層基本方程的基本思想是什么？（1）邊界層的基本控制方程（2）雷諾平均：把方程中的因變量展開(kāi)成平均和脈動(dòng)量?jī)刹糠郑?）求方程的雷諾平均的湍流平均變量的方程 （4）利用連續(xù)性方程à通量形式的方程（5）從步驟3方程中減去步驟5方程，得到偏離平均的湍流脈動(dòng)量方程、方差方程和協(xié)方差方程的基礎(chǔ)方程（6）將湍流脈動(dòng)量方程乘以速度脈動(dòng)量à湍流通量方程（7）將基礎(chǔ)方程乘以2倍的湍流脈動(dòng)量 à方差方程 （湍流能量方程）8. 什么是Richardson數(shù)？給出三種Richardson數(shù)并分別指出其異

11、同。浮力做功項(xiàng)與機(jī)械做功項(xiàng)比值可得到一個(gè)簡(jiǎn)化的物理學(xué)近似à湍流的一個(gè)重要判據(jù)，即通量Richarson(理查孫)數(shù)Rf。通量理查遜數(shù)，梯度里查遜數(shù)，總體里查遜數(shù)。以通量的形式表示Richardson數(shù)；同梯度表示Richardson數(shù)；由風(fēng)、溫度觀測(cè)資料精度不高，則由此計(jì)算的梯度會(huì)存在較大誤差。因此，通常將前述微分梯度改為差分形式進(jìn)行計(jì)算，為此引入總體理查遜數(shù)。9. 請(qǐng)至少給出5種確定邊界層高度的一般方法。 動(dòng)力因素考慮，即風(fēng)隨高度的變化： （1）取風(fēng)向達(dá)地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度；（2）風(fēng)速達(dá)地轉(zhuǎn)風(fēng)的高度；3）風(fēng)速達(dá)最大值的高度； 熱力因素考慮： （1）將溫度梯度變?yōu)樽杂纱髿馑哂械闹档母叨龋唬?/p>

12、2）溫度梯度明顯不連續(xù)的高度；（3）溫度日變化非常小，接近消失的高度； 能量角度考慮： （1）湍流能量接近消失的高度；（2）湍流應(yīng)力接近消失的高度等。10. 請(qǐng)說(shuō)明流邊界層的基本特征。（1）對(duì)流邊界層的發(fā)展不是依賴(lài)于較強(qiáng)的風(fēng)切變導(dǎo)致的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，地面輸送的感熱通量是熱力驅(qū)動(dòng)湍流能量的來(lái)源。（2）各種氣象要素除了在近地面層存在明顯的梯度外，由于強(qiáng)烈的混合作用，對(duì)流邊界層的主體部分氣象要素梯度很小；在中等以上不穩(wěn)定時(shí)，溫度和風(fēng)隨高度接近均勻分布，湍流通量隨高度近似線性變化。（3）對(duì)流熱泡在對(duì)流邊界層頂?shù)纳仙龥_擊，引發(fā)自由大氣空氣團(tuán)向下卷入邊界層，形成了卷夾層；卷夾層以上是無(wú)湍流或很弱湍流的自由大氣。

13、（4）對(duì)流熱泡尺度大、壽命長(zhǎng)、攜帶的湍流能量也大，導(dǎo)致對(duì)流邊界層內(nèi)各氣象屬性的垂直分布比較均勻，具有整體的空間結(jié)構(gòu)以及較強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)。11. 請(qǐng)指出穩(wěn)定邊界層的一般特征。（1）穩(wěn)定邊界層的共同特征是有逆溫層，此時(shí)浮力的作用不但不能給湍流補(bǔ)充動(dòng)能，相反，湍流微團(tuán)在垂直運(yùn)動(dòng)中因反抗重力作功而損失動(dòng)能，所以湍流能量很弱。但因有切應(yīng)力的作用，湍流不會(huì)完全消失，維持在弱的水平上，仍是一個(gè)不可忽略的因子。湍流熱交換過(guò)程并不占優(yōu)勢(shì)，而其它的熱交換過(guò)程例如輻射、平流、氣層的抬升及地形等的影響與湍流熱交換過(guò)程的影響相當(dāng)。（2）理論分析和實(shí)驗(yàn)事實(shí)均表明，當(dāng)浮力引起的湍流動(dòng)能損失達(dá)到切應(yīng)力產(chǎn)生動(dòng)能的1/5左右（通量

14、理查孫數(shù)Rf = 0.2） ，湍流便會(huì)因連續(xù)不斷地耗散而衰竭。穩(wěn)定邊界層的湍流結(jié)構(gòu)在空間和時(shí)間上出現(xiàn)不連續(xù)，形成所謂的間歇性湍流或波與間歇性湍流共存。 （3）因湍流很弱，湍渦尺度小，邊界層不同層次之間的相互作用減弱，地面強(qiáng)迫對(duì)邊界層的響應(yīng)放緩。下墊表面的強(qiáng)制作用達(dá)到邊界層頂所需的時(shí)間尺度可長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，形成分層式湍流，故邊界層往往不能作為整體處理。例如，由地面參量計(jì)算的莫寧奧布霍夫長(zhǎng)度值不能代表邊界層中、上層的情況。（4）各種特征量在邊界層頂沒(méi)有明顯的過(guò)渡特征，難于確定層頂?shù)奈恢谩?2. 當(dāng)湍流充分發(fā)展時(shí)，其能譜通常可分為哪些區(qū)？并簡(jiǎn)單指出各個(gè)區(qū)的主要特征。當(dāng)湍流達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài)時(shí)，其能譜可

15、以分為三個(gè)區(qū)：含能區(qū)、慣性區(qū)與耗散區(qū)。含能區(qū)從大尺度湍渦得到能量而傳遞給較小尺度湍渦，大部分 湍能集中在該區(qū)。典型的長(zhǎng)度尺度約為幾米到幾公里，對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是幾十秒到幾十分鐘。在該區(qū)內(nèi)，普函數(shù)取決于風(fēng)速、粗糙度和邊界層厚度等特征量。慣性區(qū)典型長(zhǎng)度尺度（波長(zhǎng)）比離地表面距離小。該區(qū)內(nèi)湍能只是從較大的渦傳遞給較小的渦，能量既不增加也不損耗，只是起到由低頻向高頻的慣性傳遞作用。該區(qū)內(nèi)湍流可以近似地看做是局地各向同性。耗散區(qū)隨著渦旋尺度的減小，由于受粘滯性的影響越來(lái)越強(qiáng)，能量損失不斷增大。該區(qū)內(nèi)湍能逐漸被耗散。對(duì)速度分量而言，湍能以（湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率）的速率離開(kāi)慣性區(qū)。同時(shí)在該區(qū)內(nèi)買(mǎi)東東能以的速率為

16、分子粘性作用所耗散。13. 請(qǐng)根據(jù)簡(jiǎn)化的連續(xù)方程 ，導(dǎo)出平均量方程和脈動(dòng)量方程，并簡(jiǎn)述其主要過(guò)程。（1）將物理量根據(jù)雷諾平均分解為： ，（2）將平均量和脈動(dòng)量表示的物理量代入原方程，則有（3）根據(jù)雷諾平均運(yùn)算規(guī)則，有平均量方程和脈動(dòng)量方程：14. 根據(jù)所給湍流脈動(dòng)動(dòng)能收支方程，指出方程中各項(xiàng)的物理含義。方程反映了邊界層中單位質(zhì)量空氣湍流動(dòng)能的變化：（1）湍能儲(chǔ)存項(xiàng)，表示湍流能量的增強(qiáng)或減弱。（2）浮力作功對(duì)湍能的貢獻(xiàn)，表示單位時(shí)間內(nèi)浮力作功對(duì)湍流微團(tuán)湍能的貢獻(xiàn)：正、負(fù)的物理解釋?zhuān)唬?）雷諾應(yīng)力作功對(duì)湍能的貢獻(xiàn)。（4）脈動(dòng)速度引起的湍流能量在垂直方向的輸送；若各個(gè)高度上輸送量不同，則在其層間有湍

17、能的累積或虧損。（5）壓力脈動(dòng)作功對(duì)湍能的貢獻(xiàn)。（6）分子粘性耗損對(duì)湍能的耗損：盡管值本身的數(shù)量級(jí)很小，但在湍流場(chǎng)內(nèi)都較大，渦旋尺度越小其值越大，因而湍能耗散項(xiàng)在方程中不能忽略不計(jì)。15. 談?wù)剬?duì)常值通量層的理解。近地層較薄，可近似認(rèn)為動(dòng)量、熱量和水汽垂直湍流輸送通量幾乎不隨高度變化（風(fēng)向也幾乎不隨高度改變），各種通量近似為常值，故稱(chēng)為常值通量層。常值通量層通常指的是動(dòng)量常值通量層。各種屬性（如動(dòng)量和熱量）的常值通量層厚度一般不相同，各種屬性都滿(mǎn)足常值的條件，一般應(yīng)是各屬性常值通量層厚度的最低者。這里的常值通量不是恒定常數(shù)，而是一定時(shí)間、一定地點(diǎn)，在近地層范圍內(nèi)，某種屬性的湍流（鉛直）通量為不

18、隨高度變化的常值。三、綜合分析題 (每小題 20 分，共 20 分)1. 請(qǐng)分析所給圖形，指出圖中三根廓線所表示的物理含義，并分析其形成的原因。 近地面層中不同大氣穩(wěn)定度下的典型風(fēng)廓線（1）中性條件下的風(fēng)速對(duì)數(shù)廓線在圖中是一條直線；（2）不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)因有利于湍流混合，上層的動(dòng)量迅速下傳使低層風(fēng)速增大，因此風(fēng)速廓線呈下凹狀（中午）；（3）穩(wěn)定層結(jié)時(shí)相反，湍流受到抑制，不利于上層動(dòng)量下傳，故低層風(fēng)速較小，使風(fēng)速廓線呈上凸?fàn)睿ò恚７侵行詫咏Y(jié)近地層大氣，由于熱力因子作用，湍流結(jié)構(gòu)存在變化。對(duì)于平均風(fēng)廓線，中性層結(jié)呈對(duì)數(shù)分布；非中性層結(jié)偏離對(duì)數(shù)分布：穩(wěn)定層結(jié)呈上凸型；不穩(wěn)定層結(jié)呈下凹型。風(fēng)（溫、濕）廓線隨穩(wěn)定度變化的一般規(guī)律：層結(jié)不穩(wěn)定，湍流發(fā)展，上下各層空氣湍流交換劇烈，風(fēng)速分布趨向均勻，差異減小，垂直梯度比中性小，稱(chēng)下凹型；層結(jié)穩(wěn)定，湍流受抑制，湍流交換微弱，上下風(fēng)速差異大，垂直梯度加大，故風(fēng)速分布呈上凸型。2. 根據(jù)所給Ekman方程的解，指出所反映的物理事實(shí)是什么？并結(jié)合所給圖形，分析邊界層中Ekman螺線的主要特征。物理事實(shí)是：隨高度增加，夾角逐漸減小，而V逐漸增大