2025年大学《大气科学》专业题库- 大气湍流对污染物扩散的影响

2025年大学《大气科学》专业题库——大气湍流对污染物扩散的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.大气湍流2.湍流强度3.混合长度4.大气稳定度5.高斯烟羽模型二、填空题（每题2分，共20分）1.湍流是大气中存在的随机______运动。2.湍流强度通常用垂直风速______的均方根来表示。3.摩擦速度是表征近地面层大气湍流脉动______的一个参数。4.混合长度是描述湍流垂直______能力的参数，其值通常随高度增加。5.根据帕斯捷尔纳克理论，污染物在稳定度等级为A类的条件下，垂直扩散能力最______。6.高斯烟羽模型适用于描述点源排放的污染物在______大气条件下的扩散。7.湍流扩散比分子扩散的效率______得多。8.城市热岛效应会导致城市近地面形成上升气流，增强______，有利于污染物的扩散。9.污染物扩散模型中，烟源高度的增加通常会导致近地面污染物浓度______。10.大气边界层的高度决定了污染物能够扩散的最大______。三、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪项不是大气湍流的主要形成机制？A.大气温度垂直分布的不均匀B.地形对气流的阻滞和摩擦C.太阳辐射的加热不均D.大气中水汽的凝结与蒸发2.湍流强度增大，污染物扩散的哪个方面会显著增强？A.污染物在源点附近的聚集B.污染物水平方向的扩散速度C.污染物垂直方向的扩散速度D.污染物浓度的衰减速率3.在其他条件相同时，混合长度L越大，表示：A.大气越不稳定B.地面摩擦阻力越大C.湍流垂直混合能力越强D.污染物羽流抬升高度越低4.根据大气稳定度分类，下列哪类条件下大气湍流活动最弱？A.AB.CC.ED.F5.高斯烟羽模型假设污染物扩散主要发生在哪个区域？A.大气层顶B.大气边界层C.对流层顶D.平流层6.点源排放的污染物，其浓度峰值出现的位置通常位于：A.源点正下方B.源点下风向一定距离处，高度略低于烟源高度C.源点下风向高空D.源点侧风向地面7.对于高架点源排放，若要减小近地面污染物浓度，应采取什么措施？A.降低烟源高度B.提高烟源高度C.增加排放速率D.减小排放速率8.湍流扩散的核心机制是：A.污染物分子的随机热运动B.污染物自身的重力沉降C.大气宏观气流输送D.湍流脉动引起的污染物随机混合9.湍流脉动对污染物浓度场的主要影响是：A.使污染物浓度呈现稳定的阶梯状分布B.使污染物浓度在时间和空间上呈现随机波动C.只影响污染物浓度的水平分布D.只影响污染物浓度的垂直分布10.下列哪项因素对污染物扩散有利？A.低风速B.大气不稳定C.地形复杂D.污染物源强很大四、简答题（每题5分，共20分）1.简述大气湍流是如何影响污染物在大气中扩散的。2.简述影响污染物在大气中扩散的主要因素有哪些。3.简述高斯烟羽模型的基本假设条件。4.简述摩擦速度和混合长度这两个参数的物理意义及其主要影响因素。五、计算题（共15分）假设某工厂烟囱高度为H=50米，位于开阔地带，排放速率为Q=10^5毫克/秒。在某一时刻，该地风速为U=5米/秒，大气稳定度为C类，忽略地形影响。请利用高斯烟羽模型公式：C(x,y,z)=(Q/2πσ_yσ_zU)*[exp(-y^2/2σ_y^2)*exp(-(z-H)^2/2σ_z^2)]其中，假设水平扩散参数σ_y=0.2x^0.6，垂直扩散参数σ_z=0.1x^0.5（x为下风向距离，单位为米）。计算：1.当x=1000米时，地面上（z=0米）的污染物浓度是多少？2.当x=1000米时，高度z=50米处的污染物浓度是多少？3.简述计算结果的物理意义，并说明为什么在x=1000米处，不同高度（z=0米与z=50米）的浓度会有差异。试卷答案一、名词解释1.大气湍流：大气中存在的一种随机的不规则运动，表现为速度、温度等气象要素在时间和空间上的脉动。*解析思路：考察对湍流基本定义的理解，强调其随机性和不规则性。2.湍流强度：通常用垂直风速脉动的均方根来表示，反映湍流运动的剧烈程度。*解析思路：考察对湍流强度衡量标准和物理意义的掌握。3.混合长度：描述湍流垂直混合能力的参数，代表在湍流脉动作用下，流体微团能向上或向下混合的最大距离。*解析思路：考察对混合长度概念和物理意义的理解。4.大气稳定度：指大气垂直运动受到抑制或发展的程度，通常根据大气温度垂直递减率来判断。*解析思路：考察对大气稳定度定义和判断依据的掌握。5.高斯烟羽模型：一种用于描述点源排放污染物在稳定、中性或轻微不稳定大气条件下，沿下风向呈高斯分布扩散的数学模型。*解析思路：考察对高斯模型基本概念、适用条件和描述对象的掌握。二、填空题1.随机*解析思路：湍流的核心特征是其随机脉动。2.脉动*解析思路：湍流强度是衡量脉动强度的指标。3.能量*解析思路：摩擦速度与近地面湍流能量密切相关。4.混合*解析思路：混合长度直接描述湍流引起的混合过程。5.强*解析思路：稳定度A类（强不稳定）时，湍流最旺盛，扩散最好。6.稳定、中性或轻微不稳定*解析思路：高斯模型主要适用于湍流扩散起主导作用的稳定层结条件。7.高*解析思路：湍流扩散效率远高于分子扩散。8.湍流*解析思路：热岛效应增强近地面湍流活动。9.降低*解析思路：烟源高度增加，使得下风向地面高度处的污染物经过更长的路径扩散，浓度降低。10.距离*解析思路：边界层高度决定了污染物能被输送到多远的地方。三、选择题1.D*解析思路：湍流主要由温度不均、地形摩擦和机械扰动引起。水汽相变伴随潜热释放，可影响大气温度，但本身不是主要的湍流直接形成机制。2.C*解析思路：湍流强度越大，意味着垂直混合越活跃，从而增强垂直扩散速度。3.C*解析思路：混合长度L直接量化了湍流提供的垂直混合能力，L越大，混合能力越强。4.A*解析思路：大气稳定度等级A（强不稳定）时，大气层结最稳定，垂直混合最弱。5.B*解析思路：高斯模型基于大气边界层理论，认为污染物主要在此区域内扩散。6.B*解析思路：高斯模型理论推导表明，浓度峰值位于源点下风向，高度略低于烟源高度的水平距离处。7.B*解析思路：提高烟源高度可以增大污染物稀释高度，使近地面浓度降低。8.D*解析思路：湍流脉动是污染物随机混合和扩散的根本物理机制。9.B*解析思路：湍流脉动导致污染物不断被带到不同位置，造成浓度在时空上随机波动。10.B*解析思路：大气不稳定有利于垂直混合，增强湍流扩散能力，有利于污染物稀释。四、简答题1.湍流通过其随机脉动，将污染物从高浓度区域输送到低浓度区域，并实现污染物在水平和垂直方向上的混合。湍流强度越大，混合和输送能力越强，污染物扩散范围越广，浓度越低。*解析思路：阐述湍流脉动如何直接作用于污染物，使其发生随机位移和混合，从而影响扩散效果。2.影响污染物扩散的主要因素包括：气象因素（风速、风向、大气稳定度、湍流强度）、地理因素（地形、下垫面性质）、污染源因素（排放高度、排放速率、排放形式）、污染物自身性质（物理化学特性）。*解析思路：列出影响扩散的关键因素类别，并简要说明其作用。3.高斯烟羽模型的基本假设条件包括：污染源是连续的点源；大气稳定度为中性或轻微不稳定；污染物在大气中扩散是稳态过程；污染物扩散是各向同性的（水平和垂直扩散系数相同）；只考虑干扩散，不考虑降水冲刷和沉降；下风向地面是平坦的、开阔的。*解析思路：列举高斯模型的核心简化假设，这些假设是其适用性的前提。4.摩擦速度（u*）是表征近地面层大气湍流脉动能量和近地面空气动力摩阻力的参数，它反映了地表粗糙度对近地面气流的影响。混合长度（L）是描述湍流垂直混合能力的参数，代表在湍流作用下，流体微团能向上或向下混合的最大距离，其值受近地面层结稳定度和地表粗糙度等因素影响。*解析思路：分别解释两个参数的物理意义，并指出其主要影响因素。5.湍流扩散比分子扩散的效率高得多。分子扩散是由污染物分子自身的随机热运动引起的，速度慢，范围小。湍流扩散是受大气湍流脉动强制混合的结果，其扩散速度和范围远超分子扩散，是大气中污染物扩散的主要机制。*解析思路：对比两种扩散机制的原理和效率，强调湍流扩散的主导作用。五、计算题1.当x=1000米时，σ_y=0.2*(1000)^0.6≈0.2*100≈20米。σ_z=0.1*(1000)^0.5≈0.1*31.62≈3.16米。C(1000,0,0)=(10^5/(2π*20*3.16*5))*[exp(-0^2/(2*20^2))*exp(-(0-50)^2/(2*3.16^2))]C(1000,0,0)=(10^5/(2π*20*3.16*5))*[exp(0)*exp(-2500/20)]C(1000,0,0)=(10^5/(628*20*3.16))*[1*exp(-125)]C(1000,0,0)≈(10^5/3950)*[exp(-125)]C(1000,0,0)≈25.5*[1.38*10^-54]≈3.53*10^-53毫克/米³*注意：计算结果极度接近于零，可能是模型参数选择或假设不适用于如此远距离，或计算中存在量级问题。实际应用中需谨慎选择模型和参数。**解析思路：根据题目给定的公式和参数，逐步代入计算σ_y和σ_z，然后代入高斯模型公式计算地面浓度。注意指数部分和参数的单位。2.当x=1000米时，σ_y=20米，σ_z=3.16米。C(1000,0,50)=(10^5/(2π*20*3.16*5))*[exp(-0^2/(2*20^2))*exp(-(50-50)^2/(2*3.16^2))]C(1000,0,50)=(10^5/(2π*20*3.16*5))*[exp(0)*exp(0)]C(1000,0,50)=(10^5/(628*20*3.16))*[1*1]C(1000,0,50)≈(10^5/3950)*1≈25.5毫克/米³*解析思路：计算方法同上，注意垂直距离z与烟源高度H之差为零，指数部分为零，exp(0)=1。3.计算结果表明，在x=1000米处，z=50米高度的污染物浓度（约25.5毫克/米³）远高于z=0米地面的浓度（约3.53*10^-53毫克/米³）