2025年大学《应用气象学》专业题库- 大气边界层内湍流结构

2025年大学《应用气象学》专业题库——大气边界层内湍流结构考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.在大气边界层内，湍流主要是由下列哪个因素驱动的？A.大气静力稳定度B.地表与大气之间的热量交换C.地表摩擦力D.太阳辐射2.下列哪个物理量是湍流脉动的分量，用来描述湍流运动的强度？A.时均风速B.湍流强度C.普朗特数D.雷诺应力3.根据普朗特混合长理论，近地面层气温垂直廊线的形成主要依赖于：A.感热通量B.潜热通量C.混合长随风速的变化D.大气静力稳定度4.Monin-Obukhov长度（L）的物理意义是：A.边界层顶的高度B.湍流混合的垂直尺度C.摩擦速度与温度梯度的函数，反映地表粗糙度和温度非绝热加热对近地面层湍流结构的影响D.混合长的一个特定值5.在中性大气边界层中，风速廊线遵循的对数律公式中，指数值为：A.0.5B.1C.2/3D.3/26.下列哪个湍流参数化方案主要用于近地面层，并考虑了地表粗糙度的影响？A.大气输送模型（ATM）B.帕斯哈尔（Pasquill）烟羽扩散模型C.Monin-Obukhov湍流输送理论D.稳定度分类法7.湍流耗散率（ε）在湍流动力学中代表：A.湍流动能转化为内能的速率B.湍流动能的总量C.湍流脉动的频率D.湍流尺度的大小8.当大气边界层处于稳定状态时，近地面层的湍流活动通常：A.最强B.最弱C.中等D.无法确定9.雷诺应力（τ）的物理意义是：A.湍流产生的垂直气压梯度力B.地表摩擦力引起的风速拖曳力C.由于风速脉动引起的动量交换的量D.湍流热量交换的速率10.在农业气象应用中，理解边界层内湍流结构对于解释以下哪个现象至关重要？A.大气环流模式B.作物冠层内的蒸散分布C.全球气候变化趋势D.平流雾的形成二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.湍流是大气边界层中________的流体运动状态。2.湍流脉动是围绕________值的随机波动。3.雷诺数是表征流动状态的无量纲数，它由惯性力与________力的比值决定。4.在中性条件下，近地面层风速廊线近似遵循________定律。5.普朗特混合长理论假设湍流脉动中热量和动量的交换是通过________的输运实现的。6.湍流输送通量可以用________乘以混合长来近似表示。7.当大气边界层处于不稳定状态时，近地面层的________通常较强。8.________是衡量地表粗糙度对近地面层湍流影响的参数。9.湍流扩散模型是基于________原理来估算污染物或热量在边界层中的扩散。10.________是指湍流能量从大尺度逐渐耗散到小尺度，最终转化为热能的过程。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述大气边界层内湍流产生的两个主要机制。2.简要解释什么是“中性大气边界层”，并说明其风速廊线的特点。3.简述感热通量和潜热通量在近地面层湍流能量交换中的作用。4.简要说明普朗特混合长理论的基本假设及其局限性。四、计算题（共25分）1.（10分）某近地面气象站观测到，在白天稳定的中性条件下，地表温度为30°C，100米高度处温度为25°C。已知该地点的摩擦速度u*为0.2m/s。请根据Monin-Obukhov理论计算100米高度处的风速（假设地表粗糙度长度z0为0.03m）。（提示：可能需要查表获得普朗特混合长L的经验公式）2.（15分）在一个中性边界层中，观测到10米高度处的风速为5m/s，20米高度处的风速为3m/s。假设风速廓线符合对数律公式。请计算：a)（5分）20米高度处的风速。b)（5分）地表摩擦力（τ0）。c)（5分）10米和20米高度处的雷诺应力（假设空气密度ρ为1.2kg/m³）。五、论述题（10分）结合你所学的知识，论述大气边界层内湍流结构对于城市环境（如空气质量、热岛效应）和农业生产（如作物冠层蒸散发、污染物扩散）分别产生哪些重要影响？试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.C5.D6.C7.A8.B9.C10.B二、填空题1.不规则2.时均3.粘性4.对数5.混合长6.时均风速（或湍流强度）7.湍流活动（或湍流输送）8.地表粗糙度长度（或z0）9.湍流扩散10.湍流耗散三、简答题1.解析思路：从边界层物理过程入手。一是地表粗糙度导致的风切变，空气流过不平整地表时产生垂直动量交换；二是地表非绝热加热（加热不均）导致的不稳定，引起空气垂直运动加剧。将这两个机制清晰阐述即可。*答案：大气边界层内湍流产生的两个主要机制是：一是地表粗糙度引起的机械湍流，空气流过不平整地表时，由于摩擦力作用产生垂直方向的动量交换，形成湍流；二是地表非绝热加热（如感热、潜热释放）导致的不稳定，地表附近温度差异引起空气垂直运动加剧，促进湍流发展。2.解析思路：定义中性条件（干绝热递减率等于环境垂直温度梯度）。阐述中性条件下，地表强迫和大气稳定度对湍流的影响相互抵消或较弱，湍流结构主要受地表摩擦力和惯性力共同控制。根据对数律公式描述风速廊线特征。*答案：中性大气边界层是指大气静力稳定度接近于零的状态，即干绝热递减率近似等于环境垂直温度梯度。在这种条件下，地表的非绝热加热和大气稳定度对近地面湍流结构的影响相互抵消，风速廊线主要受地表摩擦力和惯性力控制，其特点是遵循对数律分布，即风速随高度的对数关系。3.解析思路：分别解释感热和潜热通量的物理意义。感热通量代表地表因温度差异将热量通过湍流输送给大气，近地面层温度较高时为正。潜热通量代表水分因蒸发或凝结过程伴随的潜热通过湍流输送给大气，与感热通量共同构成近地面层湍流能量交换的重要部分。*答案：感热通量是指地表因气温高于大气而通过湍流形式向大气输送的热量，它反映了地表与大气之间的热量交换程度，近地面层湍流活动越强，感热交换越显著。潜热通量是指地表因蒸发或凝结过程伴随的潜热通过湍流形式向大气输送的热量，它也是近地面层湍流能量交换的重要组成部分，与感热通量共同影响近地面层的能量平衡和湍流结构。4.解析思路：概括普朗特混合长理论的两个核心假设（分子扩散类比、混合长与风速相关）。指出其局限性在于：仅适用于中性或近中性层；混合长是经验参数，普适性差；未考虑湍流结构的各向异性等。*答案：普朗特混合长理论的基本假设是：湍流脉动中热量和动量的交换类似于分子扩散，交换的尺度由混合长决定；混合长的大小与风速相关。其局限性在于：该理论主要基于中性层假设，对非中性层适用性较差；混合长是一个经验参数，其值依赖经验公式或实验测定，缺乏普适性；该理论是零方程模型，未考虑湍流脉动的各向异性等。四、计算题1.解析思路：计算Monin-Obukhov长度L。利用公式L=(u*z*)³/κg(Ts-Tz)，其中u*为摩擦速度，z*为粗糙度长度，κ为卡门常数（≈0.4），g为重力加速度，Ts为地表温度，Tz为z高度温度。代入数值计算。注意温度需转换为绝对温度（开尔文），但题目中温差可用摄氏度代入。计算结果代入对数律公式u(z)=(u*κ/z)*ln(z/z0)，计算100m高度风速。*答案：计算过程略。需先计算L=(0.2*0.03)³/(0.4*9.8*(30-25))≈4.065x10⁻⁶/(1.568)≈2.59x10⁻⁶m。再计算100m风速：u(100)=(0.2*0.4/0.03)*ln(100/0.03)=(0.08/0.03)*ln(3333.33)≈2.67*8.517≈22.7m/s。（注意：此处计算过程和数值可能因查表或近似值略有差异，思路是关键）2.解析思路：a.风速廓线对数律公式：u(z)=(u*κ/z)*ln(z/z0)。设10m风速为u1=5m/s，高度为z1=10m；20m风速为u2=3m/s，高度为z2=20m。因为中性层，u1*κ/z1=u2*κ/z2。所以u2=u1*(z2/z1)=5*(20/10)=10m/s。此处题目给的风速似乎矛盾，若按题目给的风速（u2=3m/s），则计算出的10m风速会小于题目值，假设题目数据有误，按计算过程解得20m风速应为10m/s。b.由a中结果（假设u2=10m/s），u1*κ/z1=u2*κ/z2=>u1*κ/10=10*κ/20=>u1*κ/10=5*κ/10=>u1=5m/s。再利用u(z)=(u*κ/z)*ln(z/z0)求摩擦速度u*：u1=(u*κ/10)*ln(10/z0)。u*=u1/(κ/10*ln(10/z0))=10*u1/(κ*ln(10/z0))。将u1=5m/s,κ=0.4代入，u*=50/(0.4*ln(10/z0))=125/ln(10/z0)。需要z0才能计算，若z0未知，可表示为u*=125/ln(10/z0)m/s。c.雷诺应力τ=ρu'v'，其中u'、v'是风速u、v的脉动分量。湍流输送公式：τ≈-ρκu*²/ln(z/z0)。在中性条件下，τ(10)=-1.2*0.4*(u*²)/ln(10/z0)，τ(20)=-1.2*0.4*(u*²)/ln(20/z0)。将b中u*的表达式代入即可：τ(10)=-0.48*(125/ln(10/z0))²/ln(10/z0)=-0.48*15625/[ln(10/z0)*(ln(10/z0)²)]=-7500/[ln(10/z0)³]N/m²。τ(20)=-7500/[ln(20/z0)³]N/m²。*答案：计算过程略。a)20米高度处的风速为10m/s（基于题目给出的10m=5m/s，20m=3m/s数据计算结果与题目矛盾，若按计算逻辑，应为10m/s）。b)地表摩擦速度u*=125/ln(10/z0)m/s。地表摩擦力（即雷诺应力）τ0=-ρκu*²/ln(10/z0)=-1.2*0.4*(125/ln(10/z0))²/ln(10/z0)=-7500/[ln(10/z0)³]N/m²。c)10米处的雷诺应力τ(10)=-7500/[ln(10/z0)³]N/m²。20米处的雷诺应力τ(20)=-7500/[ln(20/z0)³]N/m²。五、论述题解析思路：分别从城市环境和农业生产的两个角度切入。城市环境侧重污染物扩散（湍流增强扩散）、热岛效应（湍流加速热量交换）、城市风（湍流结构影响）等。农业生产侧重冠层蒸散发（湍流输送热量水分）、污染物沉降（湍流影响）、农业小气候（湍流影响温度湿度分布）等。结合边界层内湍流结构和输送机制进行阐述，说明其积极和消极影响。*答案：大气边界层内湍流结构对于城市环境和农业生产均有重要影响。对于城市环境：湍流是城市空气质量的关键影响因素。边界层内的湍流活动能够破碎、稀释和混合近地面高浓度的污染物（如汽车尾气、工业排放物），促进污染物向高层大气扩散，改善城市空气质量。同时，湍流加速了地表与大气之间的热量交换，特别是在城市热岛效应显著时，湍流能够将地表多余的热量更快地输送到大气中，影响城市热岛的强度和垂直结构。此外，城市地表粗糙度不均和下垫面性质差异，在湍流的作用下会形成独特的城市风系统，影响污染物输送路径和城市通风。因此，湍流结构直接影响城市