2025年大学《大气科学》专业题库- 大气湍流运动与飞行安全

2025年大学《大气科学》专业题库——大气湍流运动与飞行安全考试时间：______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括号内）1.下列哪一项不是大气湍流的主要物理特征？A.随机变化的气流速度B.各向同性的脉动C.能量在大小尺度间的传递D.持续稳定的气流2.导致大气产生热力湍流的主要原因是地表温度的差异。A.正确B.错误3.在大气层结不稳定条件下，地表产生的热力湍流更容易向上发展。A.正确B.错误4.摩擦风速廊线（如对数律）主要适用于哪一层大气？A.湍流边界层B.对流层顶C.平流层D.高空急流带5.理查森数（Ri）主要用于判断大气的什么性质？A.水汽含量B.温度垂直递减率C.气流垂直运动倾向D.湍流强度6.湍流强度通常用什么来表示？A.湍流尺度B.时均风速C.风速脉动标准差D.理查森数7.清空气泡（CAT）通常发生在哪一种大气层结条件下？A.强对流不稳定B.惯性稳定C.弱不稳定，风速垂直切变较大D.地表强加热8.下列哪种湍流对飞机结构疲劳寿命的影响最为显著？A.热力湍流B.锋面诱导湍流C.晴空湍流D.地形诱导湍流9.机载气象雷达（PMD）主要用于探测哪种类型的湍流？A.锋面过境时的强降水伴随湍流B.大气层结不稳定发展出的上升气流C.惯性稳定层结下的小尺度涡旋D.飞机前方区域的小型晴空湍流10.湍流气象图上，通常用哪种颜色或符号表示湍流强度较大区域？A.绿色或白色B.蓝色或黑色C.黄色或橙色D.紫色或棕色二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.大气湍流的基本特征包括随机变化的__________和__________，以及能量在各级尺度间的传递。2.湍流强度通常用风速脉动的时间平均方根值除以__________来表示。3.当大气层结处于__________状态时，有利于垂直发展和组织性强的对流产生，也常伴随强烈的湍流。4.地表热量差异引起的湍流，其能量主要来源于地表与大气之间的__________交换。5.飞机在穿越晴空湍流（CAT）时，可能感受到的飞行扰动主要是__________和__________的周期性变化。6.摩擦风速廊线在对数律适用的高度范围内，风速随高度增加而__________，风速廊线的斜率主要取决于近地面的__________。7.湍流积分尺度是表征湍流涡旋__________的一个物理量，尺度越大，湍流影响范围越广。8.气象传真图上，湍流预报通常使用__________阴影来表示不同等级的湍流风险区域。9.飞行员通过分析飞行高度上的__________和__________信息，可以判断是否存在晴空湍流风险。10.为了规避湍流风险，飞行员和空中交通管制员会利用湍流预报产品，结合飞行高度选择、__________或__________等飞行操作程序。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述机械湍流的形成机制及其主要影响因素。2.湍流对飞机的气动性能可能产生哪些主要影响？3.简要说明理查森数（Ri）的物理意义及其在判断大气稳定性与湍流发生倾向中的作用。4.飞机在执行跨区域飞行任务时，通常会考虑哪些因素来评估和规避湍流风险？四、计算题（共15分）已知某高度处大气层结参数为：温度T=288K，高度z=5000m，地表温度T地表=308K，地表气压P地表=1013hPa，该高度气压P=500hPa。假设该层大气可视为干绝热层结。请计算：（1）(5分)5000m高度处的大气温度T'。（2）(5分)5000m高度处的大气静力稳定度（判断是否稳定，并说明理由）。（提示：可计算环境温度直减率与干绝热直减率的比较，或直接计算Ri，若Ri>0则稳定，Ri<0则不稳定）（3）(5分)若该高度风速水平切变较小，摩擦力也相对忽略，试定性分析此时该高度是否更容易发生热力湍流？并简述原因。五、论述题（20分）结合你所学的知识，论述大气湍流（特别是晴空湍流）对飞行安全的潜在威胁，并分析当前航空业在湍流探测、预报和风险规避方面所采用的主要技术手段及其局限性。试卷答案一、选择题1.D2.A3.A4.A5.C6.C7.C8.B9.D10.C二、填空题1.风速，风向2.平均风速3.稳定4.热量5.横向，垂向6.增大，粗糙度7.尺度8.橙色/棕色（或其他表示强风险的颜色）9.温度，风向风速10.机动改航，高度调整三、简答题1.解析思路：首先定义机械湍流是由大气边界层内的风切变或地表粗糙度引起。然后解释其形成机制：风切变（不同高度风速差异导致的水平动量交换）或地表粗糙度（地表摩擦使近地气流动能增大并向上传输）。最后说明影响因素，主要是地表性质（粗糙度）、地形（山地、丘陵）以及风速梯度。答案要点：机械湍流由大气边界层内的水平风切变或地表粗糙度引起。风切变导致不同高度风速差异，产生水平动量交换形成湍流；地表粗糙度使近地面风速减小，动能向高层传输，形成湍流。主要影响因素包括地表性质（粗糙度）、地形和风速垂直切变。2.解析思路：从飞机受力和运动角度分析。首先，湍流导致风速、风向的急剧变化，进而引起飞机升力、阻力、侧力、滚转力矩的随机波动。其次，这些力矩的变化导致飞机产生抖振，影响乘客舒适度。再次，持续或强烈的湍流可能超出飞机设计载荷，对结构造成疲劳损伤甚至破坏。最后，短时强风或风切变可能影响飞机的垂直速度和姿态，增加操纵难度，影响导航精度。答案要点：湍流引起飞机气动载荷（升力、阻力、侧力、力矩）随机波动，产生气动抖振，影响舒适度；可能超出设计载荷，损害结构；短时强风或风切变影响垂直速度、姿态和导航精度。3.解析思路：首先解释Ri的定义：Ri=N²/|du/dz|²，其中N是布儒斯特数（代表环境大气稳定度），du/dz是风速垂直梯度。然后说明其物理意义：Ri反映了重力惯性力与摩擦力（或风剪切力）的相对大小。最后阐述其在判断稳定性和湍流倾向中的作用：Ri>0表示重力惯性力占优，大气稳定，通常抑制湍流发展；Ri<0表示摩擦力（或剪切力）占优，大气不稳定，有利于湍流发展；Ri≈0是过渡区域。特别是在近地面层，Ri的符号和大小与机械湍流的发生密切相关。答案要点：理查森数（Ri）是衡量重力惯性力与摩擦力（或风剪切力）相对大小的一个参数。Ri>0表示大气稳定，不利于湍流发展；Ri<0表示大气不稳定或不稳定层结，有利于湍流发展。在近地面层，Ri的符号尤其重要，可判断机械湍流的发生倾向。4.解析思路：从信息获取、评估和行动决策角度展开。首先，飞行员需要获取湍流预报信息（如气象图、预报产品）、实时的气象雷达探测信息（QPE/QTE）、飞行高度上的气象参数（温度、风向风速）以及历史经验。其次，需要评估湍流的风险等级、类型和强度，结合飞机性能、载重、航线规划进行综合判断。最后，根据评估结果采取规避措施，如选择合适的飞行高度层、调整飞行速度、利用机动改航（如坡度变化）穿越、必要时请求绕飞或备降。答案要点：获取湍流信息（预报、雷达、实况、经验）；评估风险（等级、类型、强度）；结合飞机性能和航线规划综合判断；采取规避措施（选择高度、调整速度、机动改航、绕飞或备降）。四、计算题（1）解析思路：应用干绝热递减率公式。干绝热递减率γd≈9.8K/km。从地表到5000m，温度下降T下降=γd*高度差=9.8K/km*5km=49K。因此，5000m处温度T'=地表温度T地表-T下降=308K-49K=259K。答案：T'=259K（2）解析思路：计算环境温度直减率Γ。环境温度T环境=T'=259K。地表温度T地表=308K。高度差Δz=5000m。Γ=(T地表-T环境)/Δz=(308K-259K)/5000m=49K/5000m=0.0098K/m。干绝热直减率γd=9.8K/km=0.0098K/m。比较Γ和γd，发现Γ=γd。因此，该层大气处于中性层结。根据Ri定义，若为中性层结，则N²≈0，Ri≈0。Ri=0时不稳定，但通常认为接近中性的层结是湍流发生发展的有利条件之一。若严格按Ri>0为稳定，Ri<0为不稳定，则中性（Ri=0）本身不直接指示稳定或不稳定，但此处计算结果为0。根据提示，若Ri>0则稳定，Ri<0则不稳定，本例Ri=0，可认为接近稳定或层结尚不稳定但已接近临界。更倾向于认为该中性层结是湍流发展的潜在环境。但按最严格的定义，Ri=0不直接等于稳定。答案：环境温度直减率Γ=0.0098K/m，等于干绝热直减率γd=0.0098K/m。因此，该高度处大气层结处于中性状态。根据Ri判别，若Ri>0为稳定，Ri<0为不稳定，Ri=0时不稳定。但中性层结本身是湍流发展的潜在环境。按提示，可认为该层结不稳定或接近不稳定。（3）解析思路：分析热力湍流形成的条件。热力湍流源于地表加热不均或大气层结不稳定。本题中，5000m高度层结为中性，本身不是强不稳定条件。但题目设定“风速水平切变较小，摩擦力也相对忽略”，这意味着水平动量交换受限，不利于机械湍流发展。然而，中性层结下，若存在较小的垂直风切变或存在波动，仍可能发展小尺度湍流。但更重要的是，热力湍流的形成还与低层是否有加热差异或不稳定层结存在有关。题目未提供足够信息判断低层情况。但若假设该中性层处于一个更大的不稳定背景下（例如，下方有不稳定层，5000m是中性逆温层），或者存在小的地表加热差异，那么即使在中性层内也可能发生热力湍流。题目问“更容易”，在此假设下，可以论述中性层结对湍流发展的“容纳”能力，即虽然不是最强烈的条件，但相对稳定层结可能更有利于湍流维持或发展。或者从能量角度看，即使摩擦忽略，重力波破碎等也可能在中性层产生湍流。答案：定性分析较为复杂。严格来说，中性层结本身不是热力湍流强发区。但若假设该5000m中性层处于更大的不稳定背景下（如下方不稳定层），或存在小的地表加热差异，则该高度仍可能发生热力湍流。题目条件“风速水平切变较小，摩擦力忽略”排除了强烈的机械湍流。相对稳定层结可能“容纳”由低层传递上来的能量或波动，或者重力波破碎等过程在中性层也可能产生湍流。因此，不能简单断言更容易发生，但中性层结在特定条件下（如作为逆温层或处于不稳定背景中）可能比更稳定的层结更容易维持或发展湍流。五、论述题解析思路：此题要求全面、深入地结合理论与实践。首先，从物理机制上阐述湍流（特别是CAT）如何通过空气动力学直接威胁飞行安全（结构载荷、抖振、操纵难度）。其次，分析湍流对乘客舒适度、航空器设备（特别是精密仪器）的影响。再次，重点论述当前探测技术（气象雷达QPE/QTE的原理、局限性如探测距离、精度、对CAT的敏感性）和预报技术（NWP模式、统计外推、TAF等产品的应用、预报时效和准确性的挑战）。最后，总结规避措施（飞行高度选择策略、航路设计、飞行操作程序如机动改航、机载防抖系统、飞行员培训与决策）的有效性及面临的挑战（如预报不确定性、CAT的突发性和预测难度），并提出未来发展方向（更高分辨率NWP、多源数据融合、人工智能应用等）。答案要点（结构化）：*湍流威胁飞行安全的表现：*气动影响：升力、阻力、力矩剧烈波动；飞机结构承受动载荷，产生疲劳，极端情况下可能导致结构损伤；强烈抖振影响乘客舒适度，严重时可能损伤设备或危及安全；风切变干扰飞机姿态和高度控制，增加操纵难度。*设备影响：对导航、通信、自动驾驶等精密电子设备产生干扰或损坏。*舒适度影响：引起乘客不适，甚至恐慌。*当前湍流探测技术：*机载气象雷达（PMD）：原理（多普勒效应探测回波强度变化）；主要探测地形和降水伴随的强湍流，对CAT等弱小尺度湍流探测能力有限；QPE/QTE：原理（利用雷达回波粒子相干性探测风场脉动）；优势（可探测无降水区域的CAT）；局限性（受粒子分布影响，距离衰减快，精度有限，对弱湍流敏感度仍需提高）。*当前湍流预报技术：*数值天气预报（NWP）：模式原理（求解大气控制方程）；提供高空风场、温度场信息，用于计算大气稳定度参数和潜在湍流区域；局限性（分辨率限制导致对小尺度湍流（如CAT）预报能力弱，预报时效有限）。*统计预报/客观分析：利用历史数据和外场信息进行外推或概率预报。*湍流预报产品（如TAF）：提供未来特定航线上不同高度湍流风险等级和类型，是飞行决策依据。*湍流风险规避措施：*信息利用：综合运用预报、实况探测（雷达QPE/QTE）信息。*航路设计：规划避开已知湍