大气科学模拟试题.doc

模拟试题模拟试卷一一填空题（每空1分，共15分）1. 自由大气中常取 和 二力平衡，而在边界层中还需要考虑 力的影响。2. 大气边界层由下到上分为 、 和 三层。3. 根据雷诺平均有： ； 。4. 常用的稳定度参数有两类，一类是从 出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是以 为基础，以-(M-O) 的相似理论最为完整。5. 由可以说明在给定时刻，测得的 与空间固定点测得的 相同。6. 无量纲量因含L，可代表 。7. 在近地层以上，风向随高度变化很大，地转偏向力的作用不可忽略，因而决定大气边界层中湍流状态高度分布的参数除 外，还应加上一个 。二名词解释（每小题5分，共20分）1. 大气边界层2. 闭合问题3. 中性层结4. 通量理查逊数Rf 三简答题（每小题10分，共50分）1. 边界层大气运动有哪些特征？2. 简述近地层主要物理特征。3. 在强稳定层结中为什么z不是控制变量，即无z尺度？4. 湍流达到充分发展状态时，其能谱可分为哪几个区？5. 什么叫边界层的参数化问题？四推导题（每小题15分，共15分）1. 试根据基本方程，应用一定的假设条件，推导求解动量常值层的厚度hc。答案：（供参考）一填空题（每空1分，共15分）1. 自由大气中常取 科氏力 和 气压梯度力 二力平衡，而在边界层中还需要考虑 湍流粘性 力的影响。2. 大气边界层由下到上分为 粘性副层 、 近地层（常通量层）和 Ekman层（上部摩擦层）三层。3. 根据雷诺平均有：；。4. 常用的稳定度参数有两类，一类是从 湍流能量方程 出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是以 相似理论、量纲分析 为基础，以-(M-O) 的相似理论最为完整。5. 由说明在给定时刻，测得的 对数波数谱 与空间固定点测得的 对数频率谱 相同。6. 无量纲量因含L，可代表 边界层的稳定度 。7. 在近地层以上，风向随高度变化很大，地转偏向力的作用不可忽略，因而决定大气边界层中湍流状态高度分布的参数除外，还应加上一个地转参数 f。二名词解释（每小题5分，共20分）1. 大气边界层为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面相互作用的层次，更精确地说，应是在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，因为如果时间尺度更长，下垫面影响的高度会更高。2. 闭合问题是研究在哪阶相关矩处截断以及如何用有关参数来表征方程中出现的更高一阶的相关矩。3. 中性层结是热力因子不起作用的大气层结，数学描述就是：阿基米德浮力为零或者湍流热通量为零；位温不随高度变化；空气微团按绝热过程运动。4. 通量理查逊数Rf定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即 5. 三简答题（每小题10分，共50分）1. 答：边界层大气运动的特征有：（1）必须考虑地球自转的影响 引入科氏力 （2）大气密度不均匀，特别是在铅直方向的不均匀 层结流体 （3）大气运动的水平尺度大于垂直尺度 视为浅层流体 （4）大气边界层主要是湍流运动 运动方程中增加湍流项2. 答：近地层大气的主要特征：受地面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度激烈变化，运动尺度小，科氏力可忽略不计，以大气湍流运动为特征，湍流输送占有压倒优势作用，该层中动量、热量和水汽的铅直湍流输送通量几乎不随高度改变，又称常通量层。3. 答：在中性层结，|L| ,这时唯一的特征长度就是z，这标志着湍涡的尺度可以达到离地面的高度。但当层结很稳定度时，有强烈的“恢复力”，湍涡受到很大抑制，湍涡尺度小于中性层结的情况。当层结稳定度不断增加时，可以预期湍涡尺度完全受层结制约而与高度无关。4. 答：边界层中大气湍流的能谱分布大致如下图所示，可以分为三部分：含能区、惯性区和耗散区。 含能区：为低频区，它是从大尺度湍涡得到能量而传递给较小尺度湍涡，也是主要的湍能产生区，大部分湍能集中在该区，典型的长度尺度约几米到几千米，对应的时间尺度是几十秒到几十分钟。在这个区内，谱函数取决于风速、粗糙度和边界层厚度等特征量。 惯性区：其典型的长度尺度或波长比其离地面的距离小，湍能在含能区产生，该区内湍能只是从较大的涡传递给较小的涡，能量既不增加也不损耗，只是起到由低频向高频的惯性传递作用，故名惯性区。该区内湍流可近似看作是局地各向同性。 耗散区：随着湍涡尺度的减小，由于受粘滞性的影响愈来愈强，能量损失也不断增大。该区内湍能逐渐被耗散。5. 答：大气环流、数值预报等研究中需要考虑边界层的影响。如何考虑边界层内湍流过程对大尺度宏观运动的定量影响就构成了所谓的边界层的参数化问题。其中重要的一点是如何将地面的湍流通量(以u*、T*)与宏观参数如地转风、边界层上下界间的位温差、粗糙度等联系起来，以便由外参数求内参数或反之。四推导题（每小题15分，共15分）1. 答： 对运动方程 略去平流项，分子粘性项，可写成： 此处为由上向下的动量通量，比右端各项小一个量级，右端三项具有相同的量级，这是边界层特点；在自由大气中就主要是气压梯度力和科氏力。在中纬度地区，f=10-4s-1，v=10ms-2 ，即 由此可以估计出高度变化多少可使x变化一个预先给定的相对值，例如，我们问在多大的z上可使 x等于其地面值x0的1/10，此时z就等于常值通量层的厚度hc 。则有： 取，代入右式得：hc=100m ，即在100m高度处，通量减少10%。即若我们容忍10%的误差，则100m可认为是常值通量层的厚度。模拟试卷二一填空题（每空1分，共15分）1. 历史上大气边界层气象学是在 和 研究的推动下发展起来的，前者需要弄清大气边界层的 ；后者需要 。2. 根据点乘运算规则有： ； 。3. 目前，用的最多的闭合方案是 。4. 由动力因子形成的湍流称 ；由热力因子形成的湍流称 。5. 常用的稳定度参数有两类，一类是从 出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是以 为基础，以-(M-O) 的相似理论最为完整。6. 判断粗糙流和光滑流的标准是 。7. 根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作 ；另一类称作 。8. 是具有长度量纲的新的长度尺度，认为与 只差一个常数因子。二名词解释（每小题4分，共20分）1. 低空急流2. 大气边界层3. 局地闭合4. 波恩比5. 非局地闭合三简答题（每小题10分，共50分）1. 大气边界层分哪些层？各层特点？2. K理论的优缺点如何？3. 简述空气动力学光滑流和空气动力学粗糙流区别。4. 经常用的理查孙数有哪些？分别介绍之。5. 常用的谱图有哪些形式？四论述题（每小题15分，共15分）1. 试绘图说明各种层结稳定度下的风廓线规律。答案：（供参考）一填空题（每空1分，共15分）1. 历史上大气边界层气象学是在 大气污染扩散 和 数值预报 研究的推动下发展起来的，前者需要弄清大气边界层的 湍流场结构和时空分布 ；后者需要 求解大气边界层方程组及解决大气模式中边界层参数化问题 。2. 根据点乘运算规则有：；。3. 目前，用的最多的闭合方案是 一阶闭合（K理论） 。4. 由动力因子形成的湍流称动力湍流或机械湍流；由热力因子形成的湍流称热力湍流。5. 常用的稳定度参数有两类，一类是从 湍流能量方程 出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是以 相似理论、量纲分析 为基础，以-(M-O) 的相似理论最为完整。6. 判断粗糙流和光滑流的标准是 边界层附近分子粘性力和湍流粘性力的相对大小 。7. 根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作 湍流的微尺度 ；另一类称作 湍流的大尺度或积分尺度 。8. 是具有长度量纲的新的长度尺度，认为与 中性时大气边界层高度 只差一个常数因子。二名词解释（每小题5分，共20分）1. 低空急流边界层内，在几百米的高度上，特别是在夜间，经常出现风速极大值的区域，如果这种风极大区域比较薄，风速又较大，就称为低空急流。2. 大气边界层为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面相互作用的层次，更精确地说，应是在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，因为如果时间尺度更长，下垫面影响的高度会更高。3. 局部闭合是空间任一点的未知量是用同一点已知量的值和（或）梯度来参数化的。4. 波恩比定义为感热通量和潜热通量之比。5. 非局部闭合是空间任一点的未知量是用空间许多点的已知量的值和（或）梯度来参数化的。三简答题（每小题10分，共50分）1. 答：大气边界层一般可分为粘性副层，近地层（常通量层）， Ekman层（上部摩擦层）三层。粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一层的典型厚度1cm几个cm，因此对多数实际问题而言，可以忽略它。近地层（常通量层）：从粘性副层到50-100m，这一层大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。由于近地层中湍流强烈混合的结果，该层中各物理属性的铅直输送通量近似为常值，故又称为常通量层。 Ekman层（上部摩擦层）：从近地层以上到1-1.5km。湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。2. 答：将湍流交换用分子交换同样的方法来处理的做法称为K理论，又因它带有一定的经验性，亦称半经验理论，它的好处是简单，缺点是理论基础不够，并不能普遍适用，对大气而言，在强不稳定层结时几乎不能用，因为不稳定时，湍流交换主要由“大涡”完成，而大涡的输送机制并不服从上面的规律。但由于简单，它如今仍是用得最多的办法。3. 答：空气动力学光滑流与粗糙流的区别：光滑流的固壁边界比较光滑，湍流微弱，以分子粘性为主；粗糙流的固壁边界凹凸不平，且凹凸厚度超过粘性副层，形成湍流，以湍流粘性为主。4. 答：常用的有三种理查孙数有： 通量理查逊数RfRf数定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即 静力不稳定时： Rf0，表示热力作用减弱湍能。 无论如何，Rf的绝对值越大，热力作用越强。 梯度理查逊数RiRf虽然物理概念清楚，但是其中含有脉动量的协方差()，直接测量比较困难，应用很不方便。 于是引入用平均风、温度梯度表示的梯度理查逊数Ri。 定义梯度理查逊数Ri Ri数的好处是可由温度和风速的梯度计算，即只要有温、风的梯度观测，即可算得。 Ri的符号与Rf是一致的，稳定层结均为正值，不稳定层结均为负值，中性时皆为零。 总体理查逊数Rb Ri好处是它可以代表某一高度的稳定度，但如果平均风场、温度场的的观测数据精度不高，则由此计算的风、温度梯度，特别是分母的风梯度平方，会引起较大的误差，并且计算中的差分取对数毕竟麻烦，如果取线性差分，便不能代表某一高度，而只能代表z2和z1高度间的总体稳定度状况，这边是总体理查逊数Rb，两个高度中一个常取为地面，设z处与地面处位温差为，因地面风为零，设z处风为u，则0z间的Rb数： Rb数由于简单，在实用中也很有用。5. 答：谱图有以下形式：1）线性-线性表示法：s(n)n或F(K1) K1。 因为 ，所以曲线下方的面积与所在频率范围表示的方差成正比。很容易说明这个频率范围的湍涡对总能量的贡献。可以清晰地反映出湍能的频率分布情况。2）半对数表示法：nS (n)lnn 纵坐标为线性，横坐标为对数，画出nS (n)lnn。纵坐标用nS (n)是为了使曲线下面的面积仍然等于该频率段的方差。这样的谱图至少会出现一个极大值，而这个极大值所在位置往往是湍流的典型尺度。 3）对数对数表示法：lnnS(n)lnn 能使各种各样的频率和谱密度显示出来， S(n)与n之间的任何幂律关系也表示为直线，S(n)与n-5/3成正比，但曲线下方的面积不再与能量成正比。四论述题（每小题15分，共15分）1. 答：非中性层结的大气，由于受热力因子的作用，湍流结构要发生相应的变化。气象要素的铅直分布受大气稳定度影响也会发生相应的变化。以风速为例，平均风廓线，在平坦、均一的下垫面上，中性层结时呈对数分布，在单对数坐标系为直线形式，如图5.1所示。 非中性层结风廓线偏离对数分布，稳定层结呈上凸型，不稳定层结呈下凹型，而且高度愈低，愈接近对数律，即热力作用愈不显著。 2. 图上的三条风廓线，也表示了典型的风速分布的日变化。清晨或傍晚，近中性层结，风廓线接近对数律；白天太阳辐射强，温度超绝热递减，为不稳定层结；夜晚地面辐射降温，为稳定层结。 晴空、小风时，日变化明显；阴天、大风时，这种日变化不明显。 风廓线日变化定性解释：层结不稳定，湍流发展，上下各层空气湍流交换强烈，风速分布趋向均匀，差异减小，故呈下凹型；层结稳定，湍流受抑制，湍流交换微弱，上下风速差异大，故呈上凸型。模拟试卷三一填空题（每空1分，共15分）1. 大气边界层由下到上分为 、 和 三层。2. 根据叉乘运算规则有： ； 。3. 稳定层结中，M-O长度L 0；中性层结中，M-O长度L 0；不稳定层结中M-O长度L 0。4. 与中性层结不同，非中性层结的基本特征就是 同机械作用一起参与对湍流结构的影响。5. 如果把湍流场分解为不同频率或不同大小的湍涡的叠加，则可见能量是由 的湍涡即 涡向 的 涡传输。6. 由说明在给定时刻，测得的 与空间固定点测得的 相同。二判断题（每小题2分，共20分）1. 大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。 （ ）2. 粘性副层中大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。（ ）3. 近地层中动量通量、水汽通量和热通量等均为恒定的常值。 （ ）4. 通过运用相似理论分析可以得到无量纲组之间满足的具体方程或关系式。（ ）5. 中性近地层风速廓线为“对数+线性律”。 （ ）6. 粗糙度z0并不等于地面上各个粗糙元的高度，但这些粗糙元与z0之间是一一对应的关系。 （ ）7. 无论稳定还是不稳定，Ri的绝对值越大，热力作用越强。 （ ）8. 机械湍流与热力湍流相比，热力湍流能量更集中于低频端，也就是说不稳定层结引起的热力湍流主要是小涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占主要地位。（ ）9. 热交换规律说明可由稳定度m及外参数求地面湍流动量通量。 （ ）10. 根据实测资料发现，在不同高度上都呈现温度波，高度愈高，振幅愈小，而温度最大时的位相随高度增加而落后。 （ ）三简答题（每小题10分，共50分）1. 何谓闭合问题？通常如何解决？2. 简述近地层主要物理特征。3. 什么叫湍流通量的参数化？4. 近地层中影响湍流场的主要参变量有哪些？5. 确定边界层高度的方法和途径有哪些？四推导题（每小题15分，共15分）1. 试推导近地层粗糙流下的风速随高度分布的对数律廓线。答案：（供参考）一填空题（每空1分，共15分）1. 大气边界层由下到上分为 粘性副层 、 近地层（常通量层）和 Ekman层（上部摩擦层）三层。 2. 根据叉乘运算规则有：；。 3. 稳定层结中，M-O长度L 0；中性层结中，M-O长度L = 0；不稳定层结中M-O长度L z0的范围，当z z0 ，平均风速u皆为零。模拟试卷四一填空题（每空1分，共15分）1. 自由大气中常取 和 二力平衡，而在边界层中还需要考虑 力的影响。2. 20世纪50年代前苏联科学家Momin和Obukhov建立的 成了现代边界层气象学的基础。3. 标量的通量是 量，矢量的通量是 量。4. 写出最常用的粗糙流的近地层风速廓线公式： 。5. |z|越大，则表示热力作用相对机械作用越 ，因而大气越 或 。6. 根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作 ；另一类称作 。7. 如果比较不同粗糙度的风廓线，则在相同稳定度下，粗糙度小的地区，风对高度增加较 ，在较 高度即达到地转风大小，而粗糙度大的地区则风随高度增加比粗糙度小时要 。二判断题（每小题2分，共20分）1. 近地层中大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，各物理属性的铅直输送通量近似为常值。 （ ）2. 自由大气中不存在湍流运动。 （ ）3. 热通量、水汽通量、动量通量均可分成一个垂直分量和两个水平分量，共3个分量。（ ）4. 方程中每当两个相同的指数出现在同一项中时，它总是意味着重复指数取每一个值（1，2，3）后对该项求和。 （ ）5. 0阶闭合是最简单的闭合方案，即不计湍流脉动相关矩项，是研究边界层问题时用的最多的闭合方案。 （ ）6. 整个边界层中风向随高度的变化可以忽略。 （ ）7. 要计算热量通量，至少需要两层的风和两层的温度的观测。 （ ）8. 湍能来源主要是尺度较大的湍涡。 （ ）9. 中性时K自地面向上增加，最大值在200m左右，然后向上递减。 ( )10. 全边界层相似理论的一个重要结论即内外参数间存在相应的关系，可以由外参数求出内参数来，这就为边界层内通量的参数化提供了一个可行的途径。 （ ）三简答题（每小题10分，共50分）1. Boussinesq近似下的大气运动方程组有何特点？2. 闭合问题是如何产生的？3. 气象要素的分布状况，是近地层大气的湍流场各种因子综合作用的结果，主要的作用因子有哪些？4. 试解释有效中性的产生。5. 分别解释内参数、外参数。说明以下方程里面的参数哪些是内参数，哪些是外参数？四推导题（每小题15分，共15分）1. 试推导阻力规律并说明其意义。答案：（供参考）一填空题（每空1分，共15分）1. 自由大气中常取 科氏力 和 气压梯度力 二力平衡，而在边界层中还需要考虑 湍流粘性 力的影响。2. 20世纪50年代前苏联科学家Momin和Obukhov建立的 相似理论 成了现代边界层气象学的基础。3. 标量的通量是 矢 量，矢量的通量是 张 量。4. 写出最常用的粗糙流的近地层风速廓线公式：。5. |z|越大，则表示热力作用相对机械作用越 大 ，因而大气越 不稳定 或 越稳定 。6. 根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作 湍流的微尺度 ；另一类称作 湍流的大尺度或积分尺度 。7. 如果比较不同粗糙度的风廓线，则在相同稳定度下，粗糙度小的地区，风对高度增加较 快 ，在较 低 高度即达到地转风大小，而粗糙度大的地区则风随高度增加比粗糙度小时要 慢 。二判断题（每小题2分，共20分）1. 近地层中大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，各物理属性的铅直输送通量近似为常值。 （T）2. 自由大气中不存在湍流运动。 （F）3. 热通量、水汽通量、动量通量均可分成一个垂直分量和两个水平分量，共3个分量。（F）4. 方程中每当两个相同的指数出现在同一项中时，它总是意味着重复指数取每一个值（1，2，3）后对该项求和。 （T）5. 0阶闭合是最简单的闭合方案，即不计湍流脉动相关矩项，是研究边界层问题时用的最多的闭合方案。 （F）6. 整个边界层中风向随高度的变化可以忽略。 （F）7. 要计算热量通量，至少需要两层的风和两层的温度的观测。 （F）8. 湍能来源主要是尺度较大的湍涡。 （T）9. 中性时K自地面向上增加，最大值在200m左右，然后向上递减。 (T)10. 全边界层相似理论的一个重要结论即内外参数间存在相应的关系，可以由外参数求出内参数来，这就为边界层内通量的参数化提供了一个可行的途径。 （T）三简答题（每小题10分，共50分） 1. 答：Boussinesq假设下的大气近似方程组为从以上的方程组，可以清楚看出Boussinesq近似有以下特点：连续方程中可以不考虑密度的扰动，仍可认为空气是不可压的。状态方程中密度的偏差项主要由温度偏差引起的，如果已知温度扰动，则密度扰动也就确定。在运动方程中，由于温度的扰动产生的密度扰动在中立作用的配合下，构成了阿基米德净浮力，它主要存在于垂直分量运动方程中，即在与重力有关的运动中要考虑密度的变化。这一附加的力的产生，使边界层大气出现了许多重要的现象。所以Boussinesq近似成功地考虑了大气的层结作用。2. 答：在导出描写边界层运动的平均运动的控制方程组时，方程内出现了由湍流脉动量组成的统计量，例如，项。于是，方程所包括的未知量超过了方程的个数，必须要给出和项，方程组才能求解。 然而，当建立起有关二阶相关矩和方程时，方程中又出现了脉动量的三阶相关矩。当然可以重复上面推导二阶矩方程的步骤，建立三阶矩的方程式，但在这些方程的右端必然有出现四阶矩。依此类推，但建立第n阶相关矩方程时，将出现n+1阶相关矩项。故为使方程闭合可解，必须针对所研究的问题需要，在某阶相关矩方程处截断。所谓闭合问题实质上是研究在哪阶相关矩处截断以及如何用有关参数来表征方程中出现的更高一阶的相关矩。3. 答：气象要素的分布状况，是近地层大气的湍流场各种因子综合作用的结果。主要的作用因子有两类： 一类是靠近地表受下垫面机械作用的影响，这与下垫面的几何状态有关，粗糙表面和光滑表面不同，起伏地形与平