2025年大学《应用气象学》专业题库- 大气边界层与气象学研究

2025年大学《应用气象学》专业题库——大气边界层与气象学研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内）1.大气边界层（ABL）通常指的是哪个高度范围？（）A.从地面到对流层顶B.从海平面到1000hPaC.从地面到大气湍流活动显著减弱的高度D.从地面到平流层底部2.根据湍流交换理论，近地面层（层结稳定）空气垂直运动的主要驱动因素是？（）A.气压梯度力B.地表加热不均引起的压力差异C.摩擦力D.重力3.Monin-Obukhov相似理论主要适用于哪个大气层结稳定状态？（）A.强不稳定B.中性C.弱不稳定D.惯性稳定4.在中性层结条件下，风速廊线符合哪个规律？（）A.对数律B.指数律C.抛物线律D.线性律5.海陆风系形成的主要驱动因素是？（）A.太阳辐射差异B.地形阻挡C.地表热容量差异D.空气湿度差异6.山谷风环流中，白天通常形成的是？（）A.山风B.谷风C.两者皆无D.两者皆有，但强度不同7.探空仪主要用于测量？（）A.地表气象要素B.低层大气气象要素C.高层大气气象要素D.地面到1000hPa的气象要素8.气象雷达主要用于探测？（）A.大气中的液态水滴和冰晶B.大气中的气体成分C.地面温度分布D.大气风场9.数值天气预报（NWP）中的“初值”指的是什么？（）A.模式顶层的大气状态B.模式最底层的大气状态C.模式开始计算时整个大气层的状态D.地面观测到的气象要素值10.大气边界层对城市热岛效应的形成有何影响？（）A.加剧热岛效应，因为城市建筑阻碍热量向上辐射B.减缓热岛效应，因为城市植被吸收热量C.削弱热岛效应，因为边界层混合作用D.对热岛效应影响不大二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填入横线处）1.大气边界层内的湍流交换主要依赖于__________和__________的梯度。2.根据热量平衡原理，近地面热量平衡方程通常包含辐射平衡、__________、__________和__________四个主要分量。3.大气边界层的高度受__________、__________和__________等多种因素影响。4.地表热量通量、水分通量和动量通量在近地面层通常满足__________相似理论。5.利用高空探测气球携带探空仪进行气象要素测量的方法称为__________。三、名词解释（每小题3分，共12分。请给出简洁、准确的定义）1.摩擦层2.普朗特层3.边界层厚度4.通量四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述大气边界层内风速廊线的基本特征。2.简述海陆风系形成的基本过程。3.简述气象卫星在大气边界层研究中的主要应用领域。4.简述数值模拟方法在研究大气边界层过程中的优势。五、计算题（6分。请根据以下条件完成计算）假设在近中性层结条件下，地表温度为30°C，200米高度温度为25°C。根据Monin-Obukhov相似理论，估算地表与200米高度之间的感热通量（假设动量通量为0，并使用经验常数γ*=0.4m）。六、论述题（12分。请结合所学知识，深入分析和阐述下列问题）论述大气边界层结构特征及其物理过程对城市空气质量（特别是污染物扩散）的影响，并说明在城市规划或环境管理中应考虑哪些因素。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.A5.A6.B7.C8.A9.C10.A二、填空题1.温度，湿度2.地表感热通量，地表潜热通量，土壤热通量3.时间，地理纬度，下垫面性质4.普朗特5.气象探空三、名词解释1.摩擦层：大气边界层最底层，靠近地表，风速受地面摩擦力影响显著减弱的薄层。2.普朗特层：在近地面层，动量通量与热量通量之间存在着确定的比例关系，这层被称为普朗特层。3.边界层厚度：通常指边界层内气温（或位温）恢复到自由大气标准高度（如2m高度或1000hPa等）温度的99%时的垂直高度。4.通量：单位时间内通过单位面积某种物理量（如热量、水分、动量）的量，常用单位如瓦/平方米（热量通量）、克/平方米·秒（水分通量）、米/秒²（动量通量）。四、简答题1.答：近地面层（通常指摩擦层和普朗特层）风速随高度增加而增大，符合对数律分布；在更高的边界层（中性层结下为对数律层以上），风速随高度增加趋于线性增加，直至达到自由大气风速。2.答：白天，陆地升温快于海洋，陆地上空空气受热膨胀上升，形成低压，海洋上空相对形成高压，空气从海洋流向陆地，近地面形成海风；夜间，陆地降温快于海洋，陆地上空空气冷却收缩下沉，形成高压，海洋上空相对形成低压，空气从陆地流向海洋，近地面形成陆风。两者共同构成海陆风系。3.答：气象卫星可提供大范围、连续覆盖的观测资料，用于监测云层分布、地表温度、植被指数等，帮助反演边界层高度、风场结构、边界层内的污染物浓度分布等，是研究边界层物理过程和现象的重要工具。4.答：数值模拟可以再现边界层结构和物理过程，进行无法进行的实地观测实验，能够研究长时间序列或特定区域（如城市）的边界层现象，并与其他模型（如大气化学模型、城市冠层模型）耦合，模拟复杂系统，为天气预报、环境评估等提供支持。五、计算题解：1.计算温度梯度：Δθ/Δz=(θ_200-θ_0)/(z_200-z_0)=(25-30)/(200-0)=-0.025K/m2.计算稳定度参数L：L=(γ*)*(z_0-z_m)/(θ_0-θ_m)，其中z_m为中性层结高度，通常取z_0/2。此处假设近中性，L≈0。γ*=0.4m。则L≈(0.4*0/30-25)≈0。当L=0时，Monin-Obukhov相似理论简化为：χ_H=(χ_M*L)/(z_0*(θ_0-θ_m))≈0。更准确地说，在近中性条件下，χ_H与(θ_0-θ_m)的平方根成正比。但题目直接给出γ*，并要求估算，常用简化处理或查表。若采用简化公式χ_H≈γ**(θ_0-θ_m)/z_0（适用于L≈0或z/z_0≪1），则：χ_H≈0.4*(30-25)/200=0.4*5/200=1/100=0.01W/m²/K（注：严格计算需考虑L值及查表获取χ_H(L)，但题目条件简化，此处采用常用简化公式估算。）六、论述题答：大气边界层（ABL）是地表与自由大气直接接触的薄层，其结构和物理过程对城市空气质量有显著影响。首先，边界层的高度和结构决定了大气湍流混合的强度和范围。在稳定边界层中，湍流活动较弱，大气层结稳定，污染物难以扩散，易在近地面累积，导致空气质量下降，尤其在城市峡谷等复杂下垫面条件下。而混合层的高度和厚度则直接决定了污染物能够被稀释和扩散的最大高度。混合层高度越高，污染物扩散空间越大，地面空气质量越好。城市热岛效应会加剧边界层混合，对改善空气质量有利，但同时也可能将污染物向上输送。其次，边界层内的物理过程，如热通量、水分通量和动量通量，影响污染物的源汇和输送。地表加热产生的热力对流可以发展成热力边界层，促进近地面污染物向上输送和扩散。城市地表粗糙度增大摩擦力，改变近地面风速场，影响污染物的扩散路径和速度。建筑物的存在还会产生绕流、涡流等复杂流场，进一步影响污染物浓度分布。在城市规划和环境管理中，应考虑以下因素以改善边界层结构和空气质量：1.合理规划城市空