2025年大学《地球系统科学》专业题库- 大气动力学对地球系统科学的研究

2025年大学《地球系统科学》专业题库——大气动力学对地球系统科学的研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.地转平衡2.科里奥利参数3.绝热过程4.梯度力5.行星波二、简答题（每题5分，共25分）1.简述地球自转对近地大气运动的主要影响。2.大气静力稳定度是如何定义的？其对大气垂直运动有何影响？3.什么是大气边界层？其主要的物理过程有哪些？4.简述全球大气环流的主要特征及其形成原因。5.比较绝热温层和伪绝热过程的区别与联系。三、论述题（每题10分，共40分）1.运用热力学第一定律和第二定律，解释大气垂直运动（上升与下沉）发生的必要条件和机制。2.论述大气环流模式（GCMs）在地球系统科学研究中扮演的角色、主要组成部分及其面临的挑战。3.分析大气动力学过程（如风场、温度场、水汽输送）如何影响区域和全球尺度的水循环过程。4.以特定天气系统（如温带气旋）为例，详细阐述其生命史演变过程中涉及的主要动力学机制。试卷答案一、名词解释1.地转平衡：在不考虑摩擦力的情况下，大气的水平动量梯度力与地转偏向力相平衡的状态。此时，风的方向与等压线平行，大小与等压线梯度成正比。**解析思路：*理解地转平衡的核心是水平动量方程在梯度力（-∇p）和地转偏向力（2Ωv×r）平衡（忽略摩擦力f）时的状态。需要知道地转偏向力的表达式和方向，以及等压线与风向的关系。2.科里奥利参数：描述地球自转引起物体（包括大气）在旋转坐标系中运动时受到的偏向力大小的参数，其表达式为f=2Ωsinφ，其中Ω为地球自转角速度，φ为纬度。**解析思路：*理解科里奥利参数是地转偏向力的量化表示。需要知道地转偏向力产生的原因（地球自转）、其与纬度的关系（赤道为零，两极最大）以及其数学表达式。3.绝热过程：系统与外界没有热量交换的过程。大气中的绝热过程分为干绝热过程和湿绝热过程。干绝热过程指气块做绝热运动时，其内部空气的含水量保持不变；湿绝热过程则考虑了水汽的凝结或蒸发伴随的潜热交换。**解析思路：*区分绝热过程与等压过程。理解绝热过程的定义（与外界无热量交换）。掌握干绝热过程和湿绝热过程的区别（是否考虑水汽相变和潜热）。了解绝热温层（干绝热）和伪绝热过程（湿绝热）的概念。4.梯度力：指由于大气中某性质（如温度、密度、压力）的空间分布不均匀而产生的力。在气象学中，通常指压力梯度力，它是引起大气水平运动的基本驱动力，方向垂直于等压线，由高压指向低压。**解析思路：*理解梯度力的来源（空间不均匀性）。掌握压力梯度力的定义、方向（高压指向低压，垂直于等压线）及其在大气运动中的作用（提供加速度）。区分梯度力与其他力（如地转偏向力、摩擦力）。5.行星波：在球坐标系下，大气运动中存在的一类长波波动，其波动角频率接近于基本气流角频率的两倍（2Ω），是地球自转导致的大气运动一个重要特征。它们在纬向和经向上都有传播。**解析思路：*理解行星波是大气中的一种波动现象。关键在于知道其频率特性（接近2Ω）及其与地球自转的关系。了解其在球坐标下的表现形式。二、简答题1.简述地球自转对近地大气运动的主要影响。**解析思路：*地球自转主要通过产生地转偏向力影响近地大气运动。解释地转偏向力的定义（使水平运动物体偏向的力）、方向（北半球右偏，南半球左偏，赤道为零）及其对风场的影响（使风不再沿等压线吹，而是斜穿等压线，风向与等压线平行是地转平衡状态）。提及科里奥利参数随纬度变化。2.大气静力稳定度是如何定义的？其对大气垂直运动有何影响？**解析思路：*定义静力稳定度通常通过气块的绝热上升或下降过程来判定。如果气块被抬升后，其环境温度下降速率小于或等于干绝热递减率（即θe≥θ），则大气是稳定的；反之，则是不稳定的；如果环境温度下降速率介于两者之间，则是条件性稳定或不稳定。解释稳定大气对垂直运动的抑制作用（上升的气块冷却，密度增大，有返回原地的趋势），不稳定大气对垂直运动的促进作用（上升的气块冷却仍比环境轻，会继续上升），条件性稳定大气取决于初始抬升和含水汽情况。3.什么是大气边界层？其主要的物理过程有哪些？**解析思路：*定义大气边界层是紧贴地表、受地表物理特性（温度、粗糙度等）直接影响、湍流混合显著的一层大气。说明其高度随日变化（白天通常几百米到两三公里，夜间可能缩至几十米）。列举主要物理过程：①近地层风切变和摩擦阻力（导致风速随高度减小）；②涡环生成与扩散（导致湍流混合）；③辐射热量交换（地表与大气间的感热和潜热交换）；④地表与大气间的物质交换（如污染物扩散、水汽输送）。4.简述全球大气环流的主要特征及其形成原因。**解析思路：*主要特征：①赤道低气压带（ITCZ），两极高气压带；②赤道两侧的副热带高气压带；③副热带高气压带与赤道低气压带之间的副热带低气压带（信风带）；④极地东风带和极地涡旋。形成原因：①太阳辐射在纬向上的不均匀分布是根本原因（导致地面温度差异）；②地球自转（产生地转偏向力，使风向偏离直线）；③地形影响（如山脉对气流的阻挡和绕流）。需要简述各带的形成机制。5.比较绝热温层和伪绝热过程的区别与联系。**解析思路：*区别：绝热温层（干绝热层）是指大气中温度随高度增加而增加的层（θ=θ**(T/T0)^(-R/cp)），存在于对流层顶以上，主要是干空气绝热上升冷却所致。伪绝热过程（AdiabaticLapse）描述的是在存在水汽凝结或蒸发时，气块绝热升降引起的温度变化率，包括干绝热递减率和湿绝热递减率（干绝热递减率<湿绝热递减率）。联系：伪绝热过程包含了干绝热过程。当气块上升未达到凝结高度或未发生相变时，其温度变化遵循干绝热递减率；达到凝结高度后，若发生相变，则温度变化率减小为湿绝热递减率。绝热温层是干绝热过程在高层大范围持续作用的一种宏观表现。三、论述题1.运用热力学第一定律和第二定律，解释大气垂直运动（上升与下沉）发生的必要条件和机制。**解析思路：*首述热力学第一定律（能量守恒）：ΔU=Q-W。大气垂直运动涉及气块内部能量（内能）的变化（ΔU）和对外做功（W，主要是膨胀功）。上升气块膨胀，对外做正功（W>0），若无热量输入（Q=0），则必然内能减少（ΔU<0），即温度下降；下沉气块压缩，外界对其做功（W<0），内能增加（ΔU>0），温度上升。其次，运用热力学第二定律（熵增原理）：气团绝热上升（或下沉）时，其熵会自动增加（ΔS>0），这是不可逆过程。结合静力稳定度分析：不稳定大气（θ<θe）的气块绝热上升时会释放对流有效位能（绝热冷却使其比环境轻），这是熵增和能量转化（内能转化为位能）的过程，驱动上升。稳定大气（θ>θe）的气块绝热上升会吸收对流有效位能，难以持续上升。因此，垂直运动的发生需要满足初始扰动条件（气块θ与环境θ的对比），并通过绝热过程和能量转化（第一定律）以及熵增过程（第二定律）来实现。机制上涉及压力梯度力、地转偏向力、摩擦力以及浮力（由温度差异引起）的综合作用。2.论述大气环流模式（GCMs）在地球系统科学研究中扮演的角色、主要组成部分及其面临的挑战。**解析思路：*角色：GCMs是研究大气环流、气候系统及其对强迫因子（如温室气体浓度、土地利用变化）响应的主要工具。它们通过数值模拟，帮助我们理解大气物理过程、预测未来气候变化、评估气候模型的不确定性。在地球系统科学中，它们常与其他圈层模型耦合，进行地球系统整体模拟。主要组成部分：①模式框架：包括网格划分、时间积分方案、物理量变量等。②大气动力学核心：包含控制大气运动的方程组（通常是简化的流体力学方程），如静力平衡、辐射传输、边界层过程等模块。③物理过程参数化：由于网格尺度远大于真实物理过程尺度，需要用数学函数来近似描述云、降水、辐射、对流、湍流、边界层、水汽输送等复杂过程。④水分循环：模拟大气中水汽的产生、输送、凝结、降水等过程。⑤垂直坐标系统：描述大气垂直结构。⑥与其他圈层耦合接口（在耦合模型中）：定义与其他圈层（海洋、陆地、冰雪）的能量、水汽、物质交换通量。面临的挑战：①参数化的不确定性：对许多小尺度物理过程的认识不足，导致参数化方案存在较大误差。②计算资源需求巨大：高分辨率模拟需要强大的计算能力。③模式分辨率限制：当前分辨率难以完全捕捉关键区域（如热带对流、极地冰盖）的精细结构。④模式系统偏差：模拟结果与观测存在系统性差异（如模拟的全球平均温度、降水等与观测值有偏差）。⑤缺乏验证数据：尤其在极端事件和区域尺度上，验证数据有限。3.分析大气动力学过程（如风场、温度场、水汽输送）如何影响区域和全球尺度的水循环过程。**解析思路：*大气动力学是水汽在大气中输送和分配的关键驱动力。首先，风场（水平运动）决定了水汽从海洋、湖泊等水源地输送到大陆内部和不同区域的路径与强度。例如，信风将水汽输送到副热带大陆西岸，形成丰沛降水；季风系统则导致亚洲、非洲等地出现季节性强烈的降水。其次，温度场（垂直运动和水平分布）影响水汽的蒸发、凝结和降水过程。温暖湿润的区域有利于蒸发和对流降水，寒冷干燥的区域水汽含量低，降水稀少。大气垂直运动（上升和下沉）是降水发生的必要条件。大气环流模式中的温带气旋、热带气旋等天气系统，其动力学结构（上升气流、云带组织）直接控制着降水的时空分布和强度。水汽输送量也受控于气流速度和湿度。因此，大气动力学通过控制水汽的来源、输送路径、输送效率和降水发生的条件与位置，深刻影响着从局地蒸发、径流到全球水汽总量平衡等各个层面的水循环过程。4.以特定天气系统（如温带气旋）为例，详细阐述其生命史演变过程中涉及的主要动力学机制。**解析思路：*以温带气旋为例，其生命史通常包括发展、成熟和消亡阶段，涉及复杂的动力学机制。①发展阶段：通常在锋面附近（冷锋或暖锋），由于暖湿空气被冷气抬升，或冷空气侵入暖空气下方产生正涡度平流，导致气旋环流开始建立，垂直运动发展，云层和降水开始形成。关键机制：锋面动力学（斜压性、正涡度平流）、潜热释放（湿绝热过程，加热上升气流，增强不稳定）。②成熟阶段：气旋发展至顶峰，环流中心加深，云系覆盖范围广，降水强度大。关键机制：气旋中心强烈的辐合上升运动，深厚的湿斜压不稳定发展