2025年大学《大气科学》专业题库- 大气动力学在沙尘暴研究中的应用

2025年大学《大气科学》专业题库——大气动力学在沙尘暴研究中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.沙尘暴的发生通常与地表层结处于_______状态有关，此时近地面风速增大到足以克服沙粒的_______力。2.科里奥利参数f在北半球表现为右偏，它对近地面风的影响主要体现在_______风和_______风的形成过程中。3.沙尘暴的初始启动和低层输送主要发生在_______层，其动力学特征受_______效应和_______过程的显著影响。4.行星边界层理论解释了地表与大气之间的动量、热量和水汽交换，其中_______风和_______风是边界层内常见的风型。5.大尺度环流系统如_______带和_______系统为沙尘暴的长距离输送提供了主要的_______和_______。二、简答题（每题5分，共30分）1.简述惯性子午流带（InertialWaveGuidingJet）在沙尘暴远距离输送中的作用机制。2.解释什么是沙尘暴的“沙面-气相耦合”过程，并说明其在沙尘暴启动中的作用。3.描述边界层内的温度层结如何影响近地面风切变，并进而影响沙尘暴的发生。4.简述数值模拟中，地表参数化方案对沙尘暴地表风场和沙尘输送量的影响。5.列举三种用于观测沙尘暴近地面动量通量的方法，并简述其原理。6.说明沙尘暴过程中，重力沉降和湍流扩散对沙尘浓度空间分布的主要影响。三、论述题（每题10分，共40分）1.详细阐述沙尘暴形成过程中，地表动力强迫（风应力）与热力强迫（温度梯度）如何相互作用，共同触发沙尘卷或流沙的启动。2.选择一个典型的沙尘暴个例（如2001年春季中国北方沙尘暴），结合其高低空环流背景，分析动力过程（如高空引导气流、低空边界层发展、地形爬升等）在沙尘暴形成、发展和路径选择中的关键作用。3.讨论湍流在沙尘暴边界层发展和沙尘垂直混合过程中的作用。你认为边界层内的哪个高度（或层次）的湍流特征对于理解沙尘暴动力学最为关键？说明理由。4.沙尘暴不仅是一个气象现象，也与地表过程和气候变化密切相关。从大气动力学的角度，论述气候变化（如干旱化、升温）可能通过改变地表性质和边界层动力结构，进而影响沙尘暴活动的机制。试卷答案--------------------一、填空题1.不稳定；附着力2.地转；梯度3.边界层；摩擦；湍流4.地形；热力5.西风；季风；引导；通道二、简答题1.惯性子午流带是行星边界层内的一种波动现象，其水平分量可以近似看作地转风。当存在高空急流或大型波动时，惯性子午流带可以随风场一起移动，将其携带的沙尘物质沿着特定的经向通道进行远距离输送。其作用机制在于提供了沿经向的稳定动力背景，将低层的沙尘有效“引导”至较高纬度或不同区域。2.沙尘暴的“沙面-气相耦合”过程是指地表沙尘活动（如沙粒的运动）与近地层大气运动（风、温度等）之间存在的双向反馈和相互调制机制。沙面状况（如粗糙度、湿度）影响近地面气流，而近地面气流（如剪切应力）又驱动沙粒起沙和运动，进而改变地表反照率和热量平衡，进一步影响大气边界层结构。在沙尘暴启动中，强风应力克服沙粒附着力，将沙粒卷入大气，这是动力强迫的直接体现，而沙尘扬升也会改变地表粗糙度和热力性质，形成耦合效应。3.边界层内的温度层结直接影响气流的垂直运动和稳定性。当存在逆温层时，近地面风速受到抑制，但会形成一个强风层（梯度风层），一旦有扰动（如地形抬升、热力触发），该处的风切变可能很大，有利于沙尘的抬升和混合。当温度层结不稳定时（如逆温层之上为绝热递减），对流运动会发展，强烈的上升气流可以将地表沙尘迅速带到高空，并伴随水平输送。因此，温度层结通过影响垂直气流强度、风切变和边界层高度，间接控制了近地面风的强度和结构，进而影响沙尘暴的发生。4.数值模拟中，地表参数化方案用于模拟地表与大气间的物理过程，如感热、潜热交换、动量交换（摩擦阻力）以及地表反照率、粗糙度等性质。地表摩擦阻力参数化直接影响近地面风速的垂直切变和地表附近的风速大小，进而影响沙尘的启动和低层输送。沙尘输送量则与地表粗糙度（影响沙面摩擦）、土壤湿度（影响沙尘流动性）、植被覆盖（影响地表反照率和粗糙度）等参数密切相关，这些参数通过参数化方案输入模型，最终影响模拟的沙尘暴强度和范围。5.观测沙尘暴近地面动量通量（通常指水平风速廊线）的方法主要有：①普遍风速计（Anemometer）通过测量不同高度的瞬时或平均风速，结合气压梯度计算水平风速廊线和切应力；②梯度风仪（GradientWindInstrument）直接测量不同高度的气压差，推算水平风速和切应力；③激光雷达（Lidar）通过探测风产生的粒子（如沙尘、气溶胶）的后向散射信号，反演风场和湍流信息，可获取水平风速廊线和动量通量；④同温层探空（Sonicads）或风廓线雷达（SODAR/ADCP）虽然主要获取垂直风速，但其数据可用于分析整个边界层的动力结构和动量通量分布。6.重力沉降是指沙尘颗粒在重力作用下，随下垫面风速减小或气流抬升减弱时，垂直下沉到地面的过程。其影响是使得近地面沙尘浓度随高度增加而减小，并在地表形成浓度高值区。湍流扩散是指大气湍流运动使得沙尘颗粒在水平和垂直方向上发生随机脉动和混合的过程。其影响是使得沙尘浓度在水平和垂直方向