2025年大学《大气科学》专业题库- 大气湍流对飞机飞行的影响

2025年大学《大气科学》专业题库——大气湍流对飞机飞行的影响考试时间：______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在题后括号内）1.下列哪种现象通常与大气层结不稳定、热力对流强烈密切相关？（）A.晴空湍流B.地形风切变C.锋面湍流D.雷暴引起的结冰湍流2.机翼上方风速突然增大而下方风速突然减小时，飞机将经历什么类型的短时扰动？（）A.晴空湍流中的小尺度涡旋B.晴空风切变C.结冰云中的大尺度乱流D.锋面过境时的强上升气流3.飞机在巡航高度遭遇晴空湍流（CAT）时，最有可能感受到的飞行状态变化是？（）A.持续的高度爬升B.突然的左右摇晃（横滚）C.平稳飞行但油耗略微增加D.明显的下降趋势4.专门用于探测空中风切变和湍流的气象雷达，其工作原理主要是？（）A.接收飞机广播的应答信号B.发射电磁波并接收飞行器自身的反射信号C.探测大气中水汽凝结物的分布D.测量大气温度和湿度垂直递变5.飞行员在飞行中通过调整飞机迎角来减缓湍流影响，这种方式主要针对的是哪种影响？（）A.高度偏离B.航向偏离C.升力损失D.燃油消耗增加6.导致飞机在地面滑行或低空飞行时发生偏航和高度失控的主要大气现象是？（）A.大尺度天气系统引起的持续风B.地形引起的局地风切变C.晴空湍流中的小尺度涡旋D.锋面过境时的强水平风7.大气湍流对飞机结构的主要威胁是导致？（）A.油箱破裂B.起落架折断C.机翼结构疲劳损伤（过载）D.船体进水8.以下哪种湍流类型通常与雷暴云的强上升和下沉气流密切相关？（）A.晴空湍流B.沿海风切变C.雷暴引起的结冰湍流D.山谷风切变9.现代空中交通管理系统（ATM）在规避湍流风险中扮演的角色主要是？（）A.直接指挥飞机机动规避B.向飞行员提供湍流信息和建议航线C.禁止飞机进入特定空域D.负责湍流天气的预报发布10.飞机在穿越结冰云层中的湍流时，除了受到气动干扰外，还可能面临什么严重威胁？（）A.飞机失速B.飞机结构振动加剧C.雷击风险D.发动机结冰二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题后横线上）1.大气湍流的基本特征包括随机性、三维流动脉动以及__________等。2.湍流强度通常用__________（如米/秒）或__________（如米/秒²）来量度。3.飞机在湍流中飞行时，乘客可能会感受到__________和__________的明显变化。4.探测大气湍流常用的机载设备除了气象雷达，还有__________和__________。5.为了减轻大气湍流对飞机的影响，飞行员可以采取__________、__________或__________等飞行操作策略。6.大气层结的__________是产生热力对流和湍流的重要条件。7.地形，特别是__________地带，是产生机械风切变和湍流的重要源地。8.湍流预报的主要信息产品包括__________和__________。9.飞机遭遇大气湍流时，过载的增加主要源于__________的剧烈变化。10.晴空湍流（CAT）主要发生在大气层结__________、风速较大的__________区域。三、名词解释（每小题3分，共15分。请给出简洁准确的定义）1.风切变（WindShear）2.湍流强度（TurbulenceIntensity）3.晴空湍流（ClearAirTurbulence,CAT）4.过载（G-Load）5.湍流探测（TurbulenceDetection）四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述大气湍流对飞机飞行安全的主要威胁。2.简述地面气象雷达在探测空中湍流方面的主要作用和局限性。3.简述飞行员个人如何通过操作飞机来减轻湍流的不利影响。4.简述影响大气湍流预报准确性的主要因素。五、论述题（10分。请就以下问题展开论述）结合晴空湍流的特点及其对飞行的潜在危害，论述现代航空业在湍流探测、预报和规避方面所采取的主要技术手段和策略及其发展趋势。六、计算题（10分。请根据题目要求进行计算）一架飞机在海拔10000米高度巡航，遭遇持续的平均湍流强度为5m/s²。假设飞机以250节速度飞行，试估算该架飞机因该段湍流影响而产生的平均高度偏离量（假设湍流影响持续时间为5分钟，并简化计算模型，仅考虑垂直速度分量）。试卷答案一、选择题1.D解析思路：雷暴云内部强烈的上升和下沉气流，以及云中水滴的碰并和蒸发过程，是产生强湍流的主要机制。2.B解析思路：晴空风切变定义为近地大气层中水平风速和/或风向的剧烈、随机变化，表现为风速在短距离内发生显著跃变，这与题干描述的机翼上下风速突变情况相符。3.B解析思路：晴空湍流通常表现为小范围的、随机性的三维气流脉动，主要引起飞机姿态的短时、不规则晃动，即左右摇晃（横滚）和俯仰等。4.D解析思路：气象雷达通过发射电磁波，探测大气中水滴、冰晶等粒子对电磁波的散射回波，从而间接测量风速风向信息，尤其擅长探测包含水汽的天气系统及伴随的风切变和湍流。5.C解析思路：调整飞机迎角主要改变机翼的升力系数，可以在一定程度上主动控制升力大小，以抵消湍流引起的升力波动，从而减缓飞机垂直高度的变化。6.B解析思路：地形（特别是山地、丘陵）会强迫气流改变方向和速度，在山前、山脊、山谷等处产生显著的风切变，尤其在低空，这对飞机的航向和高度控制构成严重威胁。7.C解析思路：大气湍流包含剧烈的加速度变化，导致作用在飞机结构上的惯性力（表现为过载）随之剧烈波动，长期或强烈的湍流会导致飞机结构产生疲劳损伤。8.C解析思路：雷暴云内部强烈的上升气流和下沉气流区域，以及云中复杂的气流结构，是产生剧烈结冰湍流的主要原因。9.B解析思路：现代ATM系统通过整合各类探测信息（包括气象信息），向飞行员提供空中危险天气（含湍流）的预警和告警，并提供建议航线或流量管理指令，以支持飞行员规避风险。10.D解析思路：飞机在结冰云中飞行，不仅受到湍流引起的气动干扰和结构载荷变化，同时云中过冷水滴会附着在机体表面形成冰层，导致飞机重量增加、升力下降、阻力增大，并可能引发失速等问题，其中发动机结冰是对发动机性能和安全的严重威胁。二、填空题1.能量耗散2.垂直速度（或加速度），均方根值3.横滚，俯仰4.惯性导航系统（或大气数据计算机），气象雷达5.改变飞行高度，调整飞行速度，调整飞机迎角6.稳定性7.山地8.湍流预报产品（或图），危险天气情报9.升力10.稳定，高空三、名词解释1.风切变：指大气中水平风速或风向在空间上发生剧烈变化的现象。解析思路：定义需包含两个核心要素：空间变化（短距离内）和剧烈程度。2.湍流强度：衡量大气湍流剧烈程度的物理量，通常用垂直风速脉动分量的均方根值（m/s）或加速度分量的均方根值（m/s²）表示。解析思路：定义需说明是衡量剧烈程度、使用具体物理量（速度或加速度的脉动）、以及常用的量度单位。3.晴空湍流（CAT）：指在没有明显天气系统（如云、雨）影响的晴朗空域中出现的湍流，主要由大气层结不稳定和风垂直切变引起。解析思路：定义需点明发生条件（晴朗无云）、成因（不稳定、风切变）以及其普遍存在的特性。4.过载：指作用在飞机或其部件上的总力与其重力之比，或飞行员感受到的自身重量倍数，是衡量飞机受力状况的参数。解析思路：定义需说明是衡量受力的参数、涉及力与重力的关系、以及与飞行员感受的关联。5.湍流探测：指利用各种探测设备（如地面气象雷达、机载气象雷达、惯性导航系统等）发现、定位和测量大气中湍流的位置、强度和类型的过程。解析思路：定义需包含探测目的（发现、定位、测量）、涉及对象（湍流的位置、强度、类型）以及使用的手段（各类探测设备）。四、简答题1.简述大气湍流对飞机飞行安全的主要威胁。解析思路：从飞行操作、乘客舒适、飞机结构和燃油消耗等方面回答。湍流导致飞机姿态急剧变化，难以保持预定航向和高度，影响导航精度；剧烈颠簸影响乘客舒适度甚至造成受伤；过载可能超过飞机结构设计极限导致损伤；需要机动调整消耗更多燃油。2.简述地面气象雷达在探测空中湍流方面的主要作用和局限性。解析思路：作用方面，主要作用是利用回波强度变化来间接识别风切变和湍流区域，尤其对伴随降水（云）的湍流探测效果较好。局限性在于：对晴空湍流（无回波区）探测能力有限；受地形和地球曲率限制，探测高度有限；对湍流强度和类型定量精度不高；易受降水干扰。3.简述飞行员个人如何通过操作飞机来减轻湍流的不利影响。解析思路：主要从保持高度和航向稳定性、能量管理（速度）和姿态控制三个方面回答。保持高度和航向：平稳驾驶，避免剧烈操作，利用自动驾驶仪辅助；能量管理：根据情况调整速度（如适当提高速度可增加飞行稳定性）；姿态控制：通过迎角调整主动管理升力，配合高度和航向控制。4.简述影响大气湍流预报准确性的主要因素。解析思路：从大气本身、观测、模型和预报技术等方面回答。大气本身的复杂性（湍流尺度小、变化快、机理复杂）；观测资料的时空分辨率和精度限制；数值天气预报模型对湍流物理过程的模拟能力不足；预报时效的限制。五、论述题结合晴空湍流的特点及其对飞行的潜在危害，论述现代航空业在湍流探测、预报和规避方面所采取的主要技术手段和策略及其发展趋势。解析思路：首先阐述晴空湍流（CAT）的定义、特点（无云、随机性强、多发生在高空稳定层结区）及其危害（颠簸、高度偏离、结构载荷、乘客不适）。然后重点论述现代航空业为此采取的措施：*探测技术：机载气象雷达（多普勒雷达探测风切变和湍流）、惯性导航系统（通过飞行姿态变化间接探测）、激光雷达（新型探测手段，可探测高空晴空湍流）、地面风传感器网络。强调这些技术如何提供实时的空中风场信息。*预报技术：数值天气预报模型（NWP）中引入湍流模拟模块，结合大气物理参数（如层结稳定性指数）进行预报；利用历史数据、统计方法和人工智能技术进行概率预报和风险评估。强调预报从确定性向概率性、定量化发展的趋势。*规避策略：飞行员培训（识别颠簸信号、掌握规避机动）；空中交通管理（ATM）基于探测和预报信息提供建议航线或进行流量管理；利用航路天气信息（FAIR）系统等工具；开发主动式规避系统或利用飞机性能优化飞行剖面以减轻影响。强调多方面协作和信息共享的重要性。*发展趋势：探测技术向更高精度、更高时空分辨率发展（如激光雷达、多普勒天气雷达网络）；预报技术向更高分辨率、更物理化、更概率化发展（AI、大数据应用）；规避策略向智能化、自动化（自主规避）发展；加强全球范围的合作和信息共享。六、计算题一架飞机在海拔10000米高度巡航，遭遇持续的平均湍流强度为5m/s²。假设飞机以250节速度飞行，试估算该架飞机因该段湍流影响而产生的平均高度偏离量（假设湍流影响持续时间为5分钟，并简化计算模型，仅考虑垂直速度分量）。解析思路：这是一个简化模型计算题。首先需要将单位统一。250节≈115.6m/s。5分钟=300秒。根据湍流强度定义，湍流强度I≈<u_z'^2>^(1/2)，其中<u_z'^2>是垂直速度脉动分量的均方根值的平方。平均高度偏离量Δh可以近似估算为Δh≈<u_z>*Δt，其中<u_z>是垂直速度的时间平均值，Δt是持续的时间。在强湍流中，虽然瞬时垂直速度波动大，但长时间内的平均垂直位移可能相对较小。更精确的模型涉及湍流积分时间尺度和平均风速，但在此简化模型下，我们可以假设平均垂直速度与湍流强度有一定关联（虽然不严格）。一种非常粗略的估算方式是假设平均垂直速度分量在一个积分时间尺度内与湍流强度量级相当，即<u_z>≈I。那么Δh≈I*Δt=5m/s²*300s=1500m。但更符合实际物理意义的理解是，高度偏离与垂直速度的平方时间平均值有关，即Δh≈<u_z'^2>^(1/2)*Δt。如果假设<u_z'^2>≈I²，则Δh≈I*Δt=5m/s²*300s=1500m。这个结果（1.5公里）似乎偏大，可能简化过度。另一种思路是考虑湍流引起的垂直加速度，a_z'≈I*g^(1/2)，然后Δh≈1/2*a_