边界层气象学试题库.doc

一、名词解释 (每小题 6 分，共 30 分)1. 雷诺数ReUL/v=特征惯性力/特征粘性力。Re数是判断两粘性流体运动是否相似的重要判据之一。2. 总体理查逊数Rb=gvvzvU2+(V)23. 雷诺平均对于任一物理量，当定义平均值后，可将湍流运动表示为 湍流运动=平均运动+脉动运动。而将任意实际物理量表示为：A=A+A，则为雷诺平均。4. 大气边界层大气的最低部分直接受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。大气边界层厚度的时空差异很大，平均厚度为地面以上约1km的范围，以湍流运动为主要特征。还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman层。大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气：（1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用；（2）地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日周期的循环。5. 定常湍流如果这些湍流统计参数不随时间变化，就称为平稳湍流或定常湍流；此时，足够长时间的平均即接近于总体平均。6. 均匀湍流如果统计参数不随空间变化，称之为均匀湍流；此时，足够大的空间平均也接近于总体平均。7. 普朗特混合长湍流运动中，单位质量的流体微团含有某种特性量q ，如果 q 是被动的，即不影响流体的运动情况； q是保守的，即在运行距离 之后，q值守恒。在湍流运动过程中特性量q 保持不变（失去原有特性）前所走过的距离，称之为混合长。8. 常值通量层近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层。常值通量层通常指的是动量常值通量层。9. Monin-Obukhov长度L=-u*3kgw=u*2kg*10. 动力内边界层上游来流为中性大气，气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度的下垫表面，在地面的动力强制作用下，在新的下垫面上空将形成一个内边界层，即动力内边界层。11. 热力内边界层气流从一种温度的下垫表面过渡到另一种温度的下垫表面，在地面的热力强制作用下，在新的下垫表面上空将形成一个内边界层，即热力内边界层。12. Ekman螺线在大气边界层中，风随高度增加，风向与地转风向之间的夹角逐渐减小，而风速逐渐增大，即在北半球风向右偏转逐渐趋于等压线方向，风速亦逐渐增趋于地转风速。如果将所得的风随高度的变化画成风矢端轨迹图，即是所谓Ekman螺线。13. 海陆风在大水域（海洋和湖泊）的沿岸地区，在晴朗、小风的气象条件下，边界层内常观测到向岸和离岸风的交替变化。 白天边界层下部的气流来自海面，称海风；夜间则风向相反，称作陆风。边界层上层的风向则和下部相反，并在一定的范围内可以观测到上升或下沉气流，整个海风或陆风的出现保持着一种环流的形式。海陆风是由于水平温度分布不均一所引起。二、简答题1. 简述大气边界层的主要特征。1） 大气运动的湍流性：湍流输送是地面和大气之间进行动量、热量和水汽交换的主要渠道湍流运动产生的扩散交换本身影响着温度和风速的垂直分布行星边界层的形成是大气与其下垫面相互作用的结果。2） 大气边界层中的风温廓线：3） 大气边界层的日变化：边界层中气象要素的时间变化具有明显的日变化特征。表面加热和冷却的日循环引起热力稳定度的日变化，从而影响湍流混合和动量交换过程，进而边界层中风的分布。4） 大气边界层的风向有规则地随高度右旋（北半球）地球自转而形成的柯氏力的影响。5） 大气边界层比一般流体边界层更为复杂。不仅有动力作用、还存在热力作用温度分布影响着湍流脉动动能。2. 大气边界层的主要过程及其主要作用是什么？湍流过程（1）湍流输送；（2）大气能量平衡；（3）层结和风重要作用：1）水汽通量；（2）感热通量 （3）摩擦消耗 （动量、动能汇区）气象要素的输送 + 大气污染物的输送3. 大气边界层中可分为哪些层次？简述各自的主要特征。1） 粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。2） 近地层（常值通量层）：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，运动尺度小，科氏力可忽略。由于近地层很薄和湍流扩散强烈混合的结果，该层中动量、热量和水汽的铅直输送通量不随高度变化，同样原因，近地层中风向也不随高度变化。3） Ekman层（上部摩擦层）：在这一层里，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。4. 简述湍流的基本特征。（1）随机性：湍流是非规则的，混乱的、不可预测的；（2） 非线性：湍流是高度非线性的。当流动达到某一特定状态，如Reynolds数或Richardson数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度；（3）扩散性：湍流会引起动量、热量及流动中的其他物质快速扩散；（4）涡旋性：利用湍流的可视化，例如将几滴颜料注入湍流运动的水中，表明湍流结构可设想成由无数大小不同的湍涡组成，它们分裂、合并、拉长、旋转。最大的湍涡可达到整个湍流层的宽度，小的可到毫米的量级。它们相互叠加在一起，构成湍流的涡旋结构；（5）耗散性：湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散成为热能。5. 湍流产生的原因是什么？从能量学的观点，湍流存在和维持可分为哪三大类型？大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力作功两方面前者是在有风向风速切变时，湍流切应力对空气微团作功；后者是指在不稳定大气中，浮力对垂直运动的空气微团作功，使湍流增强；在稳定大气中，随机上下运动的空气微团要反抗重力作功而失去动能，使湍流减弱。（1）风切变产生的湍流； （2）对流湍流； （3）波产生湍流6. 简述大气边界层中近地层的主要特点？行星边界层一般分为两层：近地层和Ekman层。近地面层是大气边界层的底层，一般为几十米，约为大气边界层高度的1/10 ，随大气边界层厚度的增加或减薄而相应变化。近地面层中，科氏力和气压梯度力的作用相对于湍流切应力可略去不计，大气结构主要依赖于垂直湍流输送。 近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层; 大气受地球表面的动力和热力的强烈影响，气象要素的垂直变化激烈，比边界层的中、上部更为显著； 运动尺度较小，科氏力可略去不计，风向随高度几乎无变化。在Ekman层，湍流粘性力和柯氏力及气压梯度力同样重要，三者具有相同量级，风向随高度的切变不能忽略，气象要素随高度的变化比较平缓。7. 通常推导大气边界层基本方程的基本思想是什么？（1）边界层的基本控制方程（2）雷诺平均：把方程中的因变量展开成平均和脉动量两部分（3）求方程的雷诺平均的湍流平均变量的方程 （4）利用连续性方程通量形式的方程（5）从步骤3方程中减去步骤5方程，得到偏离平均的湍流脉动量方程、方差方程和协方差方程的基础方程（6）将湍流脉动量方程乘以速度脉动量湍流通量方程（7）将基础方程乘以2倍的湍流脉动量 方差方程 （湍流能量方程）8. 什么是Richardson数？给出三种Richardson数并分别指出其异同。浮力做功项与机械做功项比值可得到一个简化的物理学近似湍流的一个重要判据，即通量Richarson(理查孙)数Rf。通量理查逊数，梯度里查逊数，总体里查逊数。以通量的形式表示Richardson数；同梯度表示Richardson数；由风、温度观测资料精度不高，则由此计算的梯度会存在较大误差。因此，通常将前述微分梯度改为差分形式进行计算，为此引入总体理查逊数。9. 请至少给出5种确定边界层高度的一般方法。 动力因素考虑，即风随高度的变化： （1）取风向达地转风的高度；（2）风速达地转风的高度；3）风速达最大值的高度； 热力因素考虑： （1）将温度梯度变为自由大气所具有的值的高度；（2）温度梯度明显不连续的高度；（3）温度日变化非常小，接近消失的高度； 能量角度考虑： （1）湍流能量接近消失的高度；（2）湍流应力接近消失的高度等。10. 请说明流边界层的基本特征。（1）对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变导致的动力驱动，地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来源。（2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于强烈的混合作用，对流边界层的主体部分气象要素梯度很小；在中等以上不稳定时，温度和风随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。（3）对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入边界层，形成了卷夹层；卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。（4）对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致对流边界层内各气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。11. 请指出稳定边界层的一般特征。（1）稳定边界层的共同特征是有逆温层，此时浮力的作用不但不能给湍流补充动能，相反，湍流微团在垂直运动中因反抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。但因有切应力的作用，湍流不会完全消失，维持在弱的水平上，仍是一个不可忽略的因子。湍流热交换过程并不占优势，而其它的热交换过程例如辐射、平流、气层的抬升及地形等的影响与湍流热交换过程的影响相当。（2）理论分析和实验事实均表明，当浮力引起的湍流动能损失达到切应力产生动能的1/5左右（通量理查孙数Rf = 0.2） ，湍流便会因连续不断地耗散而衰竭。稳定边界层的湍流结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。 （3）因湍流很弱，湍涡尺度小，边界层不同层次之间的相互作用减弱，地面强迫对边界层的响应放缓。下垫表面的强制作用达到边界层顶所需的时间尺度可长达数个小时，形成分层式湍流，故边界层往往不能作为整体处理。例如，由地面参量计算的莫宁奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。（4）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层顶的位置。12. 当湍流充分发展时，其能谱通常可分为哪些区？并简单指出各个区的主要特征。当湍流达到充分发展的状态时，其能谱可以分为三个区：含能区、惯性区与耗散区。含能区从大尺度湍涡得到能量而传递给较小尺度湍涡，大部分 湍能集中在该区。典型的长度尺度约为几米到几公里，对应的时间尺度是几十秒到几十分钟。在该区内，普函数取决于风速、粗糙度和边界层厚度等特征量。惯性区典型长度尺度（波长）比离地表面距离小。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。该区内湍流可以近似地看做是局地各向同性。耗散区随着涡旋尺度的减小，由于受粘滞性的影响越来越强，能量损失不断增大。该区内湍能逐渐被耗散。对速度分量而言，湍能以（湍流脉动动能耗散率）的速率离开惯性区。同时在该区内买东东能以的速率为分子粘性作用所耗散。13. 请根据简化的连续方程 ，导出平均量方程和脉动量方程，并简述其主要过程。（1）将物理量根据雷诺平均分解为： ，（2）将平均量和脉动量表示的物理量代入原方程，则有（3）根据雷诺平均运算规则，有平均量方程和脉动量方程：14. 根据所给湍流脉动动能收支方程，指出方程中各项的物理含义。方程反映了边界层中单位质量空气湍流动能的变化：（1）湍能储存项，表示湍流能量的增强或减弱。（2）浮力作功对湍能的贡献，表示单位时间内浮力作功对湍流微团湍能的贡献：正、负的物理解释；（3）雷诺应力作功对湍能的贡献。（4）脉动速度引起的湍流能量在垂直方向的输送；若各个高度上输送量不同，则在其层间有湍能的累积或亏损。（5）压力脉动作功对湍能的贡献。（6）分子粘性耗损对湍能的耗损：尽管值本身的数量级很小，但在湍流场内都较大，涡旋尺度越小其值越大，因而湍能耗散项在方程中不能忽略不计。15. 谈谈对常值通量层的理解。近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层。常值通量层通常指的是动量常值通量层。各种属性（如动量和热量）的常值通量层厚度一般不相同，各种属性都满足常值的条件，一般应是各属性常值通量层厚度的最低者。这里的常值通量不是恒定常数，而是一定时间、一定地点，在近地层范围内，某种属性的湍流（铅直）通量为不随高度变化的常值。三、综合分析题 (每小题 20 分，共 20 分)1. 请分析所给图形，指出图中三根廓线所表示的物理含义，并分析其形成的原因。 近地面层中不同大气稳定度下的典型风廓线（1）中性条件下的风速对数廓线在图中是一条直线；（2）不稳定层结时因有利于湍流混合，上层的动量迅速下传使低层风速增大，因此风速廓线呈下凹状（中午）；（3）稳定层结时相反，湍流受到抑制，不利于上层动量下传，故低层风速较小，使风速廓线呈上凸状（傍晚）。非中性层结近地层大气，由于热力因子作用，湍流结构存在变化。对于平均风廓线，中性层结呈对数分布；非中性层结偏离对数分布：稳定层结呈上凸型；不稳定层结呈下凹型。风（温、湿）廓线随稳定度变化的一般规律：层结不稳定，湍流发展，上下各层空气湍流交换剧烈，风速分布趋向均匀，差异减小，垂直梯度比中性小，称下凹型；层结稳定，湍流受抑制，湍流交换微弱，上下风速差异大，垂直梯度加大，故风速分布呈上凸型。2. 根据所给Ekman方程的解，指出所反映的物理事实是什么？并结合所给图形，分析边界层中Ekman螺线的主要特征。物理事实是：随高度增加，夹角逐渐减小，而V逐渐增大，即风向