動力氣象-復(fù)習(xí)題周順武

word格式-可編輯-感謝下載支持動力氣象學(xué)習(xí)題集一、名詞解釋地轉(zhuǎn)平衡：對于中緯度大尺度運動，水平氣壓梯度力和水平科氏力（地轉(zhuǎn)偏向力）接近平衡，這時的空氣作水平直線運動，稱為地轉(zhuǎn)平衡。f平面近似：又稱為f參數(shù)常數(shù)近似。在中高緯地區(qū)，對于大尺度運動，y/a<<1，則f=f0=2sin0=const。地轉(zhuǎn)偏差：實際風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)之差。尺度分析法：依據(jù)表征某類大氣運動系統(tǒng)各變量的特征值來估計大氣運動方程中各項量級的大小，判別各個因子的相對重要性，然后舍去次要因子而保留主要因子，使得物理特征突出，從而達到簡化方程的一種方法。梯度風(fēng)：水平科氏力、慣性離心力和水平氣壓梯度力三力達到平衡，此時空氣微團運動稱為梯度風(fēng)。地轉(zhuǎn)風(fēng)：對于中緯度天氣尺度的擾動，水平科氏力與水平氣壓梯度力接近平衡，這時空氣微團作直線運動，稱為地轉(zhuǎn)風(fēng)。正壓大氣：大氣密度的空間分布僅依賴于氣壓(p)的大氣，即：=(p)，正壓大氣中地轉(zhuǎn)風(fēng)不隨高度變化，沒有熱成風(fēng)。斜壓大氣：大氣密度的空間分布依賴于氣壓(p)和溫度(T)的大氣，即：=(p,T)。實際大氣都是斜壓大氣，和正壓大氣不同，斜壓大氣中等壓面、等比容面（或等密度面）和等溫面是彼此相交的。大氣行星邊界層：接近地球表面的厚度約為1－1.5km旋轉(zhuǎn)減弱：在旋轉(zhuǎn)大氣中，由?？寺鼘幽Σ凛椇蠌娖仍斐傻亩壄h(huán)流大大加強了行星邊界層與自由大氣之間的動量交換，使得自由大氣中的渦旋系統(tǒng)強度快速減弱，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)減弱。?？寺槲河捎谕牧髂Σ磷饔?，?？寺鼘又酗L(fēng)有指向低壓一側(cè)的分量，在低壓上空產(chǎn)生輻合上升運動，同理在高壓上空產(chǎn)生輻散下沉運動，這種上升下沉運動在邊界層頂達到最強，這種現(xiàn)象稱為稱為埃克曼抽吸。波包跡：在實際大氣中，一個瞬變擾動可以看成是由許多不同振幅、不同頻率的簡諧波疊加而成的，這種合成波稱為波群或波包。這種合成波列振幅的包絡(luò)線稱為波包跡，其傳播的速度稱為群速。環(huán)流：流體中任取一閉合曲線L，曲線上每一點的速度大小和方向是不一樣的，如果對各點的流體速度在曲線L方向上的分量作線積分，則此積分定義為速度環(huán)流，簡稱環(huán)流。環(huán)流定理：沿任意閉合回線的速度環(huán)流隨時間的變化率，等于沿同一回線的加速度環(huán)流。簡單地說，環(huán)流的加速度等于加速度的環(huán)流。埃克曼螺線：行星邊界層內(nèi)的風(fēng)場是水平氣壓梯度力、科氏力和粘性摩擦力三著之間的平衡結(jié)果。若以u為橫坐標(biāo)，v為縱坐標(biāo)，給出各個高度上風(fēng)矢量，并投影在同一個平面內(nèi)，則風(fēng)矢量的端點跡線為一螺旋，稱為埃克曼螺線。梯度風(fēng)高度：當(dāng)zH=/時，邊界層的風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)平行，但比地轉(zhuǎn)風(fēng)稍大，通常把這一高度視為行星邊界層的頂部，也稱為?？寺穸?。非頻散波：頻率（ω）或波速（C）與波數(shù)（k）或者波長（L）無關(guān)，則Cg=C，波能與波動一起移動，稱波動沒有發(fā)生頻散或為非頻散波，如聲波、重力外波；反之，若頻率與波數(shù)有關(guān)，則Cg≠C，稱為頻數(shù)波，如重力波、慣性－重力波、長波。微擾法（小擾動法）：大氣運動方程組是非線性的，直接求解非常困難。因此，通常采用微擾法（小擾動法）將方程組線性化，討論簡單的波動（線性波）問題。聲波：由空氣的可壓縮性產(chǎn)生的振動在空氣中的傳播。聲波是快波，天氣學(xué)意義不重要。重力外波：是指處于大氣上下邊界的空氣，受到垂直擾動后，偏離平衡位置以后，在重力作用下產(chǎn)生的波動，發(fā)生在邊界面上，離擾動邊界越遠，波動越不顯著?？觳?，天氣學(xué)意義不重要。Boussinesq近似：近似對于淺層運動，如果在運動方程中部分考慮密度擾動的影響，即只保留與重力相耦合的密度擾動項；連續(xù)方程中忽略密度擾動影響，簡化為不可壓縮形式；熱力學(xué)能量方程保留密度擾動影響，只保留膨脹的作用，即??；這種近似叫作包辛內(nèi)斯克近似。正壓不穩(wěn)定：發(fā)生在具有水平切變基本緯向氣流中的長波不穩(wěn)定稱為正壓不穩(wěn)定，正壓不穩(wěn)定的必要條件是基本緯向氣流的絕對渦度在區(qū)間內(nèi)存在極值，擾動發(fā)展的能量來自基本緯向氣流的平均動能。斜壓不穩(wěn)定：發(fā)生在具有垂直切變基本緯向氣流中的長波不穩(wěn)定稱為斜壓不穩(wěn)定，長波的斜壓不穩(wěn)定與垂直風(fēng)切變和波長有關(guān)，最不穩(wěn)定波長約為。擾動發(fā)展的能量主要來自來自有效位能的釋放，斜壓不穩(wěn)定是中緯度天氣尺度擾動發(fā)生發(fā)展的主要物理機制。二、判斷題中緯度地轉(zhuǎn)運動準(zhǔn)水平的原因之一是重力場的作用使大氣質(zhì)量向靠近地球固定邊界一薄層中堆積，從而制約了鉛直氣壓梯度，限制了大氣運動的鉛直尺度。等壓面圖上，閉合高值等高線區(qū)域，等壓面是下凹的，在閉合低值等高線區(qū)域，等壓面是上凸的。小尺度運動不滿足靜力平衡條件，但仍然可以用p坐標(biāo)系運動方程組描述他們的運動規(guī)律。壓高公式說明，氣層厚度正比于平均溫度，氣壓隨高度按指數(shù)單調(diào)遞減，且平均溫度愈低，氣壓隨高度遞減愈慢，反之亦然。如果運動是絕熱、無摩擦和定常運動，且周圍無水汽交換，那么單位質(zhì)量濕空氣的顯熱能、位能、動能、潛熱能之和守恒。有效位能是動能唯一的“源”，但不是唯一的“匯”。風(fēng)隨高度分布的對數(shù)定律是指在不穩(wěn)定條件下，近地面層的風(fēng)速分布特征。不規(guī)則湍渦運動會引起動量和其它物理量的輸送，它的最小單位是分子。動力氣象學(xué)是流體力學(xué)的一個分支。物理量的空間分布稱為物理量場。氣壓梯度力反比于氣壓梯度。速度散度代表物質(zhì)體積元的體積在運動中的相對膨脹率。笛卡爾坐標(biāo)系中的三個基本方向在空間中是固定的，球坐標(biāo)系中的三個基本方向隨空間點是變化的。大氣運動被分成大、中、小尺度是按照時間尺度劃分的。當(dāng)f處于系數(shù)地位不被微商時，取f=f0；當(dāng)f處于對y求微商地位時，取df/dy=常數(shù)，此種處理方法稱為β平面近似。連續(xù)方程一級簡化后，說明整層大氣是水平無輻散的。波動的參數(shù)包括很多，其中波數(shù)與波長成正比。用x軸表示波動傳播方向，等位相面沿x方向移動的速度為相速。大氣聲波的相速決定于基本氣流和大氣的熱性質(zhì)和熱狀態(tài)，與波長無關(guān)，所以是頻散波。聲波只在水平方向傳播。純重力內(nèi)波的特點之一是相速矢量和群速矢量水平分量是相互垂直的。純重力內(nèi)波的特點之一是相速矢量和群速矢量鉛直分量是相互垂直的。取準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似不僅可以濾去重力慣性外波，還可以保證渦旋性慢波不受歪曲。湍流不僅可以引起動量的輸送，還會引起熱量、水汽和空氣中懸浮物質(zhì)的輸送。?？寺菥€解的一個最顯著的特征是風(fēng)有指向高壓一側(cè)的分量。不規(guī)則湍渦運動會引起動量和其它物理量的輸送，它的最小單位是分子。大氣位能可以直接轉(zhuǎn)換成水平運動動能。一般來說，單是鉛直運動就能改變動能和全位能。等壓面、等溫面成水平分布狀態(tài)且層結(jié)穩(wěn)定時，有效位能不等于零?？諝馕F做上升運動時，其位能減小，作下沉運動時位能增加。局地非絕熱產(chǎn)生的有效位能的效率，當(dāng)?shù)任粶孛嫔细邏簠^(qū)冷卻，將使有效位能增加。有效位能僅是全位能能夠轉(zhuǎn)換為動能的上限值。有效位能完全決定于大氣初始狀態(tài)，大氣為斜壓狀態(tài)時，有效位能為零。貼地層中有一個重要的物理量，是粗糙度，他決定于下墊面的物理性質(zhì)。三、填空題地轉(zhuǎn)偏向力的大小與緯度成（正比），在赤道為（零）。地轉(zhuǎn)偏差與水平加速度方向相垂直，在北半球指向水平加速度的（左）側(cè)，其大小與水平加速度成正比，與緯度的正弦為（反比）。梯度風(fēng)平衡是指（水平科氏力（或地轉(zhuǎn)偏向力））、（慣性離心力）和（水平氣壓梯度力）三力達成的平衡。建立P坐標(biāo)系的物理基礎(chǔ)為（靜力平衡），采用P坐標(biāo)系的優(yōu)點是（減少了方程中的密度影響），并可濾除垂直向聲波。隨高度的增加，只要（溫度場）不變，熱成風(fēng)的大小和方向就不變.引起絕對鉛直渦度變化的原因有（幅散項）、（扭轉(zhuǎn)項）、（力管項）和（耗散項）。北半球地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)，與此伴隨的平流為（冷平流）。在大氣行星邊界層中，近地面層又稱為（常值通量層），上部摩擦層又稱為（?？寺鼘樱Ｔ诎？寺鼘又?，風(fēng)速隨高度增加（增大），風(fēng)向隨高度增加（順轉(zhuǎn)）。定常情況下，?？寺鼘又械娜ζ胶馐侵福ㄋ綒鈮禾荻攘Γⅲ评飱W利力）和（湍流粘性應(yīng)力）之間的平衡。旋轉(zhuǎn)層結(jié)大氣中可能出現(xiàn)的四種基本波動是（聲波）、（重力波）、（慣性波）和（羅斯貝波）。聲波是由大氣的（可壓縮性）造成的，重力內(nèi)波生成的必要條件是大氣層結(jié)（是穩(wěn)定的）。P坐標(biāo)系中，單位質(zhì)量空氣微團動能的隨時間的變化率，決定于（氣壓梯度力所做的功率）和（克服摩擦消耗的功率）。所謂的干靜力能是由（內(nèi)能）、（壓力能）和（位能）這三種能量的組合。根據(jù)動能平衡方程，單位質(zhì)量的空氣微團動能隨時間的變化率，決定于（.重力所做的功率）、（氣壓梯度力所做的功率）和（克服摩擦消耗的功率）正壓不穩(wěn)定的必要條件為（），正壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能量來自（基本緯向氣流的平均動能）。正壓不穩(wěn)定是發(fā)生在具有（水平）切變基流中的長波不穩(wěn)定，斜壓不穩(wěn)定是發(fā)生在具有（垂直）切變基流中的長波不穩(wěn)定。根據(jù)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)斜壓兩層模式的分析結(jié)果，影響斜壓不穩(wěn)定的主要因子是（波長）、（靜力穩(wěn)定度）、（垂直風(fēng)切變）和（效應(yīng)）。正壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能量來自（基本緯向氣流的平均動能），斜壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能量來自（有效位能的釋放）。四、問答題1、什么是大氣行星邊界層？大氣行星邊界層可分為幾個層次？說明各層次的主要特點?！敬稹浚航咏厍虮砻娴暮穸燃s為1－1.5km2、試從物理上說明?？寺槲a(chǎn)生的原因和所起的作用。【答】：由于湍流摩擦作用，埃克曼層中風(fēng)有指向低壓一側(cè)的分量，在低壓上空產(chǎn)生輻合上升運動，同理在高壓上空產(chǎn)生輻散下沉運動，這種上升下沉運動在邊界層頂達到最強，這種現(xiàn)象稱為稱為埃克曼抽吸。?？寺槲?yīng)與一般湍流擴散過程相比，是使地轉(zhuǎn)渦旋衰減的更有效的機制。3、敘述羅斯貝數(shù)（R0）的表達式及其物理意義。【答】：R0為羅斯貝（Rossby）數(shù)，表示水平慣性力與科氏力的尺度之比，即：它表示大氣運動的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)程度。當(dāng)R0<<1，水平慣性力相對于科氏力可以略去；反之當(dāng)R0>>1，科氏力相對于水平慣性力可以略去。大尺度運動中，R0<<1，科氏力是不能忽略的；小尺度運動中，R0>>1，科氏力可以忽略不計。4、什么叫二級環(huán)流?什么是旋轉(zhuǎn)減弱?【答】：二級環(huán)流：也稱為次級環(huán)流，是由行星邊界層的湍流摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的穿越行星大氣邊界層和自由大氣環(huán)流的垂直環(huán)流圈，它是疊加在一級環(huán)流或稱主要環(huán)流（自由大氣中不計湍流摩擦的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)渦旋環(huán)流）之上并受這一主環(huán)流系統(tǒng)物理約束的環(huán)流。旋轉(zhuǎn)減弱：自由大氣在埃克曼泵的作用下，若無外部能量的供給，其渦度會隨時間發(fā)生衰減，這種衰減就稱為旋轉(zhuǎn)減弱。5、什么是力管及其力管效應(yīng)？【答】：由等壓面和等比容面相交的所構(gòu)成的管子，即力管。力管的表達式為：。力管可以產(chǎn)生新的環(huán)流或使原有的環(huán)流加強或者減弱的動力作用，這就是力管效應(yīng)。在某平面上單位面積內(nèi)力管數(shù)目愈多，表示大氣的斜壓性愈強。在等壓面上的等溫線愈密集（溫度梯度越大），反映著鉛直面內(nèi)單位面積所含的力管數(shù)愈多，斜壓性愈強，反之，在等壓面上的等溫線越稀疏，斜壓性就愈弱。6、群速度與相速度有何區(qū)別?何時二者一致?【答】：相速度為載波移到的速度，即群波中具有相同位相點的移到速度。相速C的表達式為。而群速是指波包移動的速度，即群波中具有相同振幅點的移動速度，表示波列（波群）能量傳播的速度。群速的表達式為：。可見，當(dāng)波速c與波長k無關(guān)時，7、什么是羅斯貝波，它是怎樣產(chǎn)生的？【答】：羅斯貝波是在準(zhǔn)水平的大尺度運動中，由于β效應(yīng)維持絕對渦度守恒而形成的波動。它的傳播速度與聲波和重力波相比要慢很多，故為渦旋性慢波，同時由于它的水平尺度與地球半徑相當(dāng)，又稱為行星波（大氣長波）。羅斯貝波是水平橫波，單向波，慢波，對大尺度天氣變化過程有重要意義。8、利用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)兩層斜壓模式討論斜壓不穩(wěn)定得到哪些主要結(jié)論？（試從斜壓不穩(wěn)定與波長、垂直風(fēng)切變、靜力穩(wěn)定度、因子的關(guān)系加以說明）【答案】：長波的斜壓不穩(wěn)定主要決定于波長和垂直風(fēng)切變，只有波長大于臨界波長的波動才可能產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，最不穩(wěn)定波長約為，垂直風(fēng)切變需要達到一定的強度才可能產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，垂直風(fēng)切變越強越有利于產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定。由于斜壓不穩(wěn)定波的臨界波長隨靜力穩(wěn)定度的增大而增大，因而靜力穩(wěn)定度對較短波長的波動具有穩(wěn)定作用。此外效應(yīng)對較長波長的波動具有很強的穩(wěn)定作用。9、單位水平截面積、無窮高的氣柱中各種能量的比較？【答案】：五、計算和證明題1、在30oN處有一氣塊向北移動，假定絕對渦度守恒。如果初始時刻的相對渦度為510-5s-1，求其達到45oN的相對渦度是多少？（提示：=7.2910-5s-1）?！敬稹浚涸O(shè)初始時刻t1和終止時刻t2的地轉(zhuǎn)渦度、相對渦度分別為f1,1和f2,2。即f1+1=f2+2∴f2=1+f1-f2=1+2(sin1-sin2)把各物理量的數(shù)值代入上式，則有f2=510-5+27.2910-5(sin30o-sin45o)=510-5+27.2910-5(0.5-0.707)2.010-5(s-1)。2、設(shè)60N處有一氣柱，初始時相對渦度＝0，從地面一直伸展到固定10km高的對流層頂，如果該氣柱移動到45N處越過一高度為2.5km的山丘障礙，問當(dāng)越過山頂時，它的絕對渦度和相對渦度各為多少？（提示：假設(shè)大氣為均質(zhì)不可壓流體，且作絕熱、無摩擦運動，氣柱的位勢渦度守恒。）【答】：3、沿經(jīng)圈由57.5oN到52.5oN氣壓升高2%，如果溫度等于17℃，求地轉(zhuǎn)風(fēng)。（提示：a=6.37106m,R=287m2s-2K-1,sin(55o)=0.819）【答】：把狀態(tài)方程代入地轉(zhuǎn)風(fēng)公式，則：取T=290K，?p/p=0.02，=(57.5o+52.5o)/2=55o，?=52.5o-57.5o=-5o=5/180*3.1415926=0.087rad。再取差分近似，得到：4、根據(jù)羅斯貝長波的相速度公式：，推導(dǎo)出其群速度，討論群速與相速的關(guān)系？【答】：5、有下列方程組：假設(shè)大氣基本狀態(tài)是靜止的，即u=u，v=v，h=H0+h，試求：（1）將上述方程組線性化；（2）求出該方程組所含波動的頻率方程；（3）分別求出該波動的相速與群速；（4）分析該波動的性質(zhì)【答】：（1）線性化后的方程組為：設(shè)h的形式解為：h=h0i(kx-t)代入（c）式：可得頻率方程為：4\\C=Cg，該波動為非頻散波。雙向傳播，為淺水波重力外波波速。6、已知淺水方程組為：(1)設(shè)基本狀態(tài)是靜止的，將以上方程組線性化。(2)取f=f0，設(shè)擾動與y無關(guān)，求波解。(3)分析該波動的性質(zhì)【答案】：(1)線性擾動線性方程組為(2)重力慣性外波的相速和群速分別為（3）補充（選擇題）一、單選題1、1939年___引進β平面近似，創(chuàng)建了著名的長波理論。A.V.皮耶克尼斯；B恰尼；C.菲利普斯；D羅斯貝2、大氣是層結(jié)流體，大氣的密度分布隨高度變化，通常來說，___中容易產(chǎn)生積云對流。A.不穩(wěn)定層結(jié)；B穩(wěn)定層結(jié)；C.中性層結(jié)；D分層層結(jié)3、羅斯貝數(shù)是一無量綱參數(shù)，有一定的物理意義，它代表水平慣性力相對科氏力的量級，當(dāng)它的大小接近0.1時，代表中緯度的___。A.小尺度運動；B中尺度運動；C.大尺度運動；D微尺度運動4、可用于判斷對流或擾動發(fā)展的無量綱參數(shù)是___。A.羅斯貝數(shù)；B基別爾數(shù)；C.無量綱厚度參數(shù)；D理查森數(shù)5、在北半球，滿足風(fēng)壓定律的高壓是下列___項。A.高壓在運動方向右側(cè)，高壓伴隨有反氣旋式環(huán)流；B高壓在運動方向左側(cè)，高壓伴隨有反氣旋式環(huán)流；C.高壓在運動方向右側(cè)，高壓伴隨有氣旋式環(huán)流；D高壓在運動方向左側(cè)，高壓伴隨有氣旋式環(huán)流6、全位能是指內(nèi)能和___之和。A.動能；B潛熱能；C.位能；D顯熱能7、在___條件下，全球大氣的內(nèi)能、位能、動能的總和是守恒的。A.絕熱；B無摩擦；C.絕熱無摩擦；D定常8、重力內(nèi)波產(chǎn)生的條件之一是___。A.不穩(wěn)定層結(jié)；B中性層結(jié)；C.穩(wěn)定層結(jié)；D對流層結(jié)9、位渦守恒的條件是___。

A.無摩擦；B干絕熱；C.位溫守恒；D無摩擦干絕熱10、在___條件下，近地面層中風(fēng)速隨高度呈對數(shù)分布。A.穩(wěn)定層結(jié)；B中性層結(jié)；C.不穩(wěn)定層結(jié)；D對流層結(jié)11、二級環(huán)流使地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度隨時間呈指數(shù)___。

A.增強；B衰減；C.先增強后減弱；D先減弱后增強12、分子粘性應(yīng)力大，湍流粘性應(yīng)力較小，厚度在2