2025年大学《应用气象学》专业题库- 大气动力学与气象学研究

2025年大学《应用气象学》专业题库——大气动力学与气象学研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在题后括号内）1.在地转平衡近似下，地转风的主要驱动因素是：(A)大气垂直运动(B)气压梯度力与科里奥利力的平衡(C)地球自转(D)热力力矩2.以下哪个物理量是表征大气静力稳定性的重要指标？(A)比湿(B)气压(C)位温(D)空气密度3.在气象学中，罗斯贝波的主要特征是：(A)在地面上传播，速度与风相同(B)在平流层传播，振幅随高度增加(C)在对流层低层传播，具有色散特性(D)只存在于静力稳定的大气中4.数值天气预报（NWP）模式运行的基本步骤通常包括：(A)初始场生成、物理过程参数化、模式积分、预报验证(B)气压观测、风场分析、温度预报、湿度订正(C)模型坐标转换、网格加密、数据同化、结果可视化(D)热力学方程推导、连续方程应用、运动方程求解、边界条件设定5.用于描述大气中水汽含量概念的是：(A)位温(B)比湿(C)水汽压(D)相对湿度6.大气边界层的高度通常受以下哪个因素主导？(A)大气静力稳定性(B)地表温度(C)地球自转速度(D)大气旋涡活动7.在集合天气预报中，使用集合成员的主要目的是：(A)提高计算效率(B)提高模式分辨率(C)估计预报不确定性(D)减少模式物理过程参数化误差8.地转波动理论主要适用于：(A)惯性振荡的描述(B)大尺度天气系统的分析(C)大气边界层湍流研究(D)气泡对流的发生机制9.梯度风的概念主要用来解释：(A)地表风场(B)平流层风场(C)高空急流的形成(D)低空急流的形成10.气象观测数据在进入数值模式前，通常需要进行：(A)数据压缩(B)数据加密(C)数据质量控制(D)数据格式转换二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.___________是大气运动的基本驱动力，它是由地球表面不同区域受热不均引起的。2.科里奥利参数f的正负取决于地球的自转方向和地理位置的___________。3.大气静力学方程表达了气压随高度变化的规律，其基本形式为_________。4.数值天气预报模式的“半隐式”时间积分方案能同时求解动量方程和___________方程。5.大气边界层内，风速通常随高度增加，这种现象称为___________。6.用于将观测数据融入数值模式背景场的处理过程称为___________。7.罗斯贝波的相速度随波长（或波数）的不同而变化的现象称为___________。8.在绝热过程中，如果干空气做绝热上升，其温度将___________（升高/降低/不变）。9.惯性振荡的频率仅取决于___________和纬度。10.利用雷达或激光等探测手段测量大气风场的技术通常称为___________。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述地转风和梯度风的主要区别。2.解释什么是大气静力稳定性，并简述其与大气垂直运动的联系。3.简述数值天气预报模式中物理过程参数化的必要性和主要挑战。4.大气边界层内的风场具有哪些不同于自由大气的主要特征？四、计算题（每题10分，共30分）1.已知某地气压为1000hPa，高度为500米处气压为970hPa。假设该区域大气为干空气，温度随高度递减率为6K/km，试估算该地区的地转风速（假设风向正北，忽略科里奥利力影响）。2.一团空气质量为1kg的干空气从温度为20°C、气压为1000hPa的初始状态，绝热上升至高度为4000米处。假设大气为干绝热过程，试计算该气团在上升至4000米处时的温度和潜在温度。（干绝热递减率取9.8K/km）3.假设一个罗斯贝波的波长为2000km，在纬度30°处传播，其水平波数k=2π/2000km⁻¹。已知该纬度处的地转参数f=10⁻⁴s⁻¹，试估算该罗斯贝波的相速度。五、论述题（每题15分，共30分）1.试论述大气观测技术在现代气象学研究中的作用及其面临的挑战。2.结合大气动力学原理，论述地形对局地天气系统（如降水、风场）可能产生的影响。试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.A5.B6.A7.C8.B9.C10.C二、填空题1.气压梯度力2.经度3.Δp=-ρgΔz4.热力学5.梯度风6.数据同化7.色散8.降低9.地球自转角速度10.激光雷达/雷达测风三、简答题1.解析思路：地转风假设水平气压梯度力完全被地转偏向力平衡，只考虑地转偏向力，风速仅与气压梯度有关，垂直于等压线。梯度风则考虑了惯性离心力，适用于曲率较大的气流（如急流），其风速大于地转风，风向也与等压线有夹角。答案要点：地转风忽略了惯性离心力，仅由气压梯度力和地转偏向力平衡；风速大小由气压梯度决定，风向垂直于等压线。梯度风同时考虑了气压梯度力、地转偏向力和惯性离心力，适用于曲率气流，风速大于地转风，风向与等压线夹角更小。2.解析思路：静力稳定性描述大气垂直运动的倾向。如果大气层结越不稳定（即环境温度递减率大于干绝热递减率），垂直扰动（如上升空气）会持续加强，形成对流。反之，如果大气层结越稳定，垂直扰动会受抑制。静力稳定性通过环境温度随高度的变化率（或位温随高度的变化率）来量度。答案要点：大气静力稳定性是指大气层结抵抗垂直运动的特性。静力稳定时，上升空气冷却变轻，下沉空气增温变重，垂直运动受抑制；不稳定时，上升空气增温变轻，下沉空气冷却变重，垂直运动会持续发展。其量度与大气温度垂直递减率有关。3.解析思路：数值模式无法直接求解包含湍流、云降水等复杂微观过程的控制方程，需要用简化的参数化公式来代替。参数化的必要性在于提高计算效率，使模式能运行更大时空范围和时间尺度。挑战在于参数化方案对复杂物理过程的简化是否合理，能否准确反映其宏观统计效应。答案要点：必要性：大气过程复杂，模式网格分辨率有限，无法直接模拟所有细节，需参数化简化以提高效率。挑战：参数化方案依赖理论、观测和经验，简化过程可能引入误差，准确模拟复杂过程的宏观效应是难点。4.解析思路：边界层受地表摩擦影响显著。近地面风速通常较小，并存在水平方向上的切变（风速随高度增加）。风向通常与地面摩擦力平衡，更接近于地转风方向，而非高空风方向。此外，边界层内湍流混合活跃，垂直方向上的交换也更强。答案要点：风速较小，随高度增加（梯度风现象减弱）；风向更接近地转风方向；湍流活动强，垂直混合显著；受地表类型影响大；夜间可能出现逆温层，抑制垂直运动。四、计算题1.解析思路：首先根据气压差和高度差计算水平气压梯度力（g），g=Δp/Δz。然后根据地转平衡条件，地转风速Vg=-g/f。注意单位换算：1hPa=100Pa，1km=1000m，1s=1sec。计算过程：Δp=970hPa-1000hPa=-30hPa=-30*100Pa=-3000PaΔz=500mg=Δp/Δz=-3000Pa/500m=-6Pa/mf≈2*π*ω*sin(30°)=2*π*(7.292*10⁻⁵rad/s)*0.5≈2.3*10⁻⁵s⁻¹Vg=-g/f=-(-6Pa/m)/(2.3*10⁻⁵s⁻¹)≈261.7m/s（忽略科里奥利力，风向正北，风速大小为261.7m/s）2.解析思路：绝热过程无热量交换。干绝热过程假设空气始终饱和，但未考虑水汽凝结释放的潜热。上升空气绝热冷却，温度降低。利用干绝热递减率（L_d）计算温度变化。潜在温度是干绝热过程中空气达到平衡状态时的温度，计算时需要知道初始温度和气压。计算过程：Δz=4000mL_d=9.8K/km=9.8K/1000m=0.0098K/m温度降低量ΔT=L_d*Δz=0.0098K/m*4000m=39K初始温度T1=20°C=293K终止温度T2=T1-ΔT=293K-39K=254K=-19°C计算潜在温度θ：θ=T2*(1000hPa/1000hPa)^(R/Cp)=T2*(1)=254K=-19°C（注：这里假设气压从1000hPa绝热上升至某个平衡气压，平衡时气压与初始气压相同，因此比温比压比值为1。实际潜在温度计算更复杂，需考虑气压变化。此处按简化公式计算）3.解析思路：罗斯贝波的相速度包括相地转速度和经向色散。相地转速度V_phase_g=(gN')/f，其中N'是Brunt-Väisälä频率，N'²=(g/T)*(dT/dz+γ)，γ是环境垂直温度递减率。经向色散项为(λ²f/(π^2*N'*a*cosφ))*cotφ。但题目未给γ和a，且简化波长和波数，可用基本关系V_phase_g≈(gN')/f。相速度V=V_phase_g+V_dispersive。惯性频率ω=2πf，罗斯贝波周期T=2π/ω。相速度也可表示为V=2πT/λ。结合给定信息计算。计算过程：波长λ=2000km=2*10^6m波数k=2π/λ=2π/(2*10^6m)≈3.14*10⁻⁶m⁻¹地转参数f=10⁻⁴s⁻¹纬度φ=30°cot(30°)≈1.732（简化计算，忽略经向色散，假设相地转速度为相速度）V_phase_g≈(gN')/f。需要估算N'。若无γ，可假设标准大气层结估算N²，或直接用V_phase_g≈(g*(N'₀+αz))/f估算，其中N'₀为地面值，α为Brunt-Väisälä数。但题目信息不足，难以精确计算。通常V_phase_g与纬度有关，随纬度升高而减小。更直接的思路是利用相速度定义V=2πT/λ。惯性频率ω=2πf。周期T=2π/ω=2π/(2π*10⁻⁴s⁻¹)=10⁴s=100min。相速度V=2π*100min/(2*10^6m)=0.1π*10⁻³m/min≈3.14*10⁻⁴m/min=5.24*10⁻³m/s≈5.24mm/s。五、论述题1.解析思路：大气观测是所有气象研究和预报的基础。从地面气象站网到探空、遥感（卫星、雷达、激光）、高空探测、风廓线仪等，提供了大气状态（温度、湿度、气压、风、云等）的时空信息。这些数据用于初始化数值模式、验证预报、改进模式、开展气候监测、研究大气物理过程（如云降水、边界层）、反演大气成分（如温室气体）等。挑战包括观测系统的覆盖均匀性和时空分辨率不足、观测数据的质量控制难度大、观测成本高昂、部分关键参数（如水汽、边界层）观测仍有困难、多源数据融合与应用等。答案要点：大气观测提供气象研究的“原料”和气象预报的“起点”。作用：提供初始场、验证预报、改进模式、监测气候、研究过程、反演成分等。挑战：覆盖与分辨率有限、质量控制复杂、成本高、关键参数难测、多源融合难。2.解析思路：地形通过影响气流辐合辐散、抬升或下沉、摩擦以及辐射条件来改变局地天气。山脉迎风坡会强迫气流上升，导致冷却凝结，易形成地形雨和云层；背风坡则产生下沉气流，天气通常晴朗干燥。山谷地形可产生山谷风，狭窄谷地可能产生地形波。山地会阻挡大尺度波动，导致天气系统变形或阻塞。