大气科学模拟试题

模拟试题

模拟试卷一

一.填空题（每空1分，共15分）

I.自由大气中常取和二力平衡，而在边界层中还需要考虑力的影

响。

2.大气边界层由下到上分为、和三层。

3.根据雷诺平均有：AB=：A±B=。

4.常用的稳定度参数有两类，一类是从________出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是

以为基础，以MoiiHH-O6yxoB（M-O）的相似理论最为完整。

5.由&b（K）=〃S（〃）可以阐明在给定期刻，测得的与空间固定点测得的

相似。

6.无量纲量口2=4=〃因含L，可代表_________。

L

7.在近地层以上，风向随高度变化很大，地转偏向力的作用不可忽视，因而决定大气边界

层中湍流状态高度分布的参数除外，还应加上一种。

二.名词解释（每题5分，共20分）

I.大气边界层

2.闭合问题

3.中性层结

4.通量理杳逊数Rf

三.简答题（每题10分，共50分）

1.边界层大气运动有哪些特性？

2.简述近地层重要物理特性。

3.在强稳定层结中为何z不是控制变量，即无z尺度？

4.湍流到达充足发展状态时，其能谱可分为哪几种区？

5.什么叫边界层的参数化问题？

四.推导题（每题15分，共15分）

1.试根据基本方程，应用一定的假设条件，推导求解动量常值层的厚度%。

答案：（供参照）

一.填空题（每空1分，共15分）

1.自由大气中常取科氏力和气压梯度力二力平衡,而在边界层中还需要考虑湍流粘

怛力的影响。

2.大气边界层由下到上分为福性副层_、近地层（常通量层）和Ekman层（上部摩擦层）

三层。

3.根据雷诺平均有：9二诟+春：A±8=X±且。

4.常用的稳定度参数有两类，一类是从湍流能量方程出发,以理查孙数Ri为代表；另

一类是以相似理论、量纲分析为基础,以MoHiin-O6yxoB（M-O）的相似理论最为完整。

5.由％F（K1）二〃S（〃）阐明在给定期刻，测得的对数波数谱与空间固定点测得的对数

频率谱相似。

6.无量纲量口2=&=〃因含L，可代表边界层的稳定度。

la

7.在近地层以上，风向随高度变化很大，地转偏向力的作用不可忽视，因而决定大气边界

层中湍流状态高度分布的参数除〃——，今,z外，还应加上一种地转参数启

PCpT

二.名词解释（每题5分，共20分）

1.大气边界层一一为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面互相作用的层次，更精确

地说，应是在不不小于一天的时间尺度上互相作用的层次，由于假如时间尺度更长，下

垫面影响的高度会更高。

2.闭合问题一一是研窕在哪阶有关矩处截断以及怎样用有关参数来表征方程中出现的更

高一阶的有关矩。

3.中性层结一一是热力因子不起作用的大气层结，数学描述就是：阿基米德浮力为零或者

湍流热通量为零；位温不随高度变化；空气微团按绝热过程运动。

4.通量理查逊数&一一定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即

a—gJL

R_心，…

/-r-.dll2

-uw—u~——

dzdz

5.

三.简答题（每题10分，共50分）

1.答：边界层大气运动的特性有：

（1）必须考虑地球自转的影响一引入科氏力

（2）大气密度不均匀，尤其是在铅直方向的不均匀一层结流体

（3）大气运动的水平尺度不小于垂直尺度一视为浅层流体

（4）大气边界层重要是湍流运动一运动方程中增长湍流项

2.答：近地层大气的重要特性：受地面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度剧烈变

化，运动尺度小，科氏力可忽视不计，以大气湍流运动为特性，湍流输送占有压倒优势

作用，该层中动量、热量和水汽的铅直湍流输送通量几乎不随高度变化，又称常通量层。

3.答：在中性层结，|L|-8,这时唯一的特性长度就是z,这标志着湍涡的尺度可以到达

离地面的高度。但当层结很稳定度时，有强烈的“恢爱力”，湍涵受到很大克制，湍涡尺

度不不小于中性层结的状况。当层结稳定度不停增长时，可以预期湍涡尺度完全受层结

制约而与高度无关。

4.答：边界层中大气湍流的能谱分布大体如下图所示，可以分为三部分：含能区、惯性区

和耗散区。

图9.3.1能谱分布示意图

含能区：为低频区，它是从大尺度湍涡得到能量而传递给较小尺度湍涡，也是重要

的湍能产生区，大部分湍能集中在该区，经典的长度尺度约几米到几千米，对应的时间

尺度是几十秒到几十分钟。在这个区内，谱函数取决于风速、粗糙度和边界层厚度等特

性量。

惯性区：其经典的长度尺度或波长比其离地面的距离小，湍能在含能区产生，该区

内湍能只是从较大的涡传递给较小的涡，能量既不增长也不损耗，只是起到由低频向高

频的惯性传递作用，故名惯性区。该区内湍流可近似看作是局地各向同性。

耗散区：伴随湍涡尺度的减小，由于受粘滞性的影响愈来愈强，能量损失也不停增

大。该区内湍能逐渐被耗散。

5.答：大气环流、数值预报等研究中需要考虑边界层的影响。怎样考虑边界层内湍流过程

对大尺度宏观运动的定量影响就构成了所谓的边界层的参数化问题。其中重要的一点是

怎样将地面的湍流通量（以u*、T*）与宏观参数如地转风、边界层上下界间的位温差、粗

糙度等联络起来，以便由外参数求内参数或反之。

四.推导题（每题15分，共15分）

I.答：对运动方程

西2

_dui1dpdTd_duieju'Uj）

—L+—乙=-----------+—g+feU.+V—松+.........-

ci」i3

dtdXjpd%TQdx：dx}

略去平流项，分子粘性项，可写成:

du上1dp1Sr

—=fv-------二+-------v工

dt'pdxpdz

-------OLI

此处T、=一夕U'W'为由上向下的动量通量，&•比右端各项小一种量级，右端三项具有相

似的量级，这是边界层特点；在自由大气中就重要是气压梯度力和科氏力。在中纬度地

区，f=10'4s'',v=l()ms2,即

od生)二1。一3

pdz

由此可以估计出高度变化多少可使Tx变化一种预先给定的相对值，例如，我们问在多大

的上可使△及等于其地面值X0的1/10,此时Az就等于常值通量层的厚度he。则

有：

0(!吗=103

pdz

4=l°'xo/p

T_2

取夕=1依，&0=1%・〃2一，代入右式得：hc=100m,即在高度处，通

量减少10%。即若我们容忍10%的误差，则100m可认为是常值通量层的厚度。

模拟试卷二

一.填空题（每空1分，共15分）

1.历史上大气边界层气象学是在和研究的推进下发展起来的，前者需

要弄清大气边界层的；后者需要。

2.根据点乘运算规则有：，•，=；/./=。

3.目前，用的最多的闭合方案是。

4.由动力因子形成的湍流称;由热力因子形成的湍流称。

5.常用的稳定度参数有两类，一类是从出发，以理查孙数Ri为代表；另一类是

以为基础，以MoHHH-O6yxoB（M-O）的相似理论最为完整。

6.判断粗糙流和光滑流的原则是0

7.根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作；另一类称作o

,KU*

=-

8.于是具有长度量纲的新的长度尺度，认为与只差一种常数因子。

二.名词解释（每题4分，共20分）

I.低空急流

2.大气边界层

3.局地闭合

4.波恩比

5.非局地闭合

三.简答题（每题10分，共50分）

1.大气边界层分哪些层？各层特点？

2.K理论的优缺陷怎样？

3.简述空气动力学光滑流和空气动力学粗糙流区别。

4.常常用的理查孙数有哪些？分别简介之。

5.常用的谱图有哪些形式？

四.论述题（每题15分，共15分）

1.试绘图阐明多种层结稳定度下的风廓线规律。

答案：（供参照）

一.填空题（每空1分，共15分）

1.历史上大气边界层气象学是在大气污染扩散和数值预报研究的推进下发展起来的,

前者需要弄清大气边界层的湍流场构造和时空分布；后者需要求解大气边界层方程

组及处理大气模式中边界层参数化问题。

2.根据点乘运算规则有：i・j=O；

3.目前，用的最多的闭合方案是二阶闭合（K理论）。

4.由动力因子形成的湍的称动力湍流或机械湍流;由热力因子形成的湍流称热力湍力。

5.常用的稳定度参数有两类，•类是从湍流能量方程出发,以理查孙数Ri为代表；另

一类是以相似埋论、量纲分析为基础,以MoHWH-O6yxoB（M-O）的相似埋论最为完整。

6.判断粗糙流和光滑流的原则是边界层附近分子粘性力和湍流粘性力的相对大小.

7.根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作湍流的微尺度：另一类称作湍流的

大尺度或枳分尺度。

_KU/

8.乙*二一^是具有长度量纲的新的长度尺度，认为与中性时大气边界层高度只

差一种常数因子。

二.名词解释（每题5分，共20分）

1.低空急流一一边界层内，在几百米的高度上，尤其是在夜间，常常出现风速极大值的区

域，假如这种风极大区域比较薄，风速又较大，就称为低空急流。

2.大气边界层一一为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面互相作用的层次，更精确

地说，应是在不不小于一天的时间尺度上互相作用的层次，由于假如时间尺度更长，下

垫面影响的高度会更高。

3.局部闭合一一是空间任一点的未知量是用同一点已知量的值和（或）梯度来参数化的。

4.波恩比一一定义为感热通量和潜热通量之比。

5,非局部闭合一一是空间任一点的未知量是用空间许多点的已知量的值和（或）梯度来参

数化的。

三.简答题（每题10分，共50分）

1.答：大气边界层一般可分为粘性副层，近地层（常通量层），Ekman层（上部摩擦层）

三层。粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远不小于湍流切应力，分子输送过程

处在支配地位。这一层的经典厚度lcm~儿种cm,因此对多数实际问题而言，可以忽视

它。近地层（常通量层）：从粘性副层到50-100m,这一层大气运动展现明显的湍流性

质，湍流输送占有压倒优势作用。由于近地层中湍流强烈混合的成果，该层中各物理属

性的铅直输送通量近似为常值，故又称为常通量层。Ekman层（上部摩擦层）：从近地

层以上到l-1.5kmo湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的

切变。

2.答：将湍流互换用分子互换同样的措施来处理的做法称为K理论，乂因它带有一定的经

验性，亦称半经验理论，它的好处是简朴，缺陷是理论基础不够，并不能普遍合川，对

大气而言，在强不稳定层结时几乎不能用，由于不稳定期，湍流互换重要由“大海”完

毕，而大涡的输送机制并不服从上面的规律。但由于简朴，它如今仍是用得最多的措施。

3.答：空气动力学光滑流与粗糙流的区别：光滑流的固壁边界比较光滑，湍流微弱，以分

子粘性为主：粗糙流的固壁边界凹凸不平，且凹凸厚度超过粘性副层，形成湍流，以湍

流粘性为主。

4.答：常用的有三种理查孙数有：

①通量理查逊数Rf

R「数定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即

o—iJL

产TcpP困为它刷雕义，

R/=.丁而=（4.1）故例故理领乩

-ww—u.一

a?加

静力不稳定期：R.<0,表达热力作用增强湍能;

静力中性时：Rt=O,表达热力湍能产生率为零；

静力稳定期：Rt>0,表达热力作用减弱湍能。

无论怎样，Rf的绝对值越大，热力作用越强。

②梯度理查逊数R.

Rf虽然物理概念清晰，不过其中具有脉动量的协方差（而，-B）,直接测量比较困

难，应用很不以使。于是引入用平均风、温度梯度表达的梯度理查逊数Ri。

定义梯度理查逊数Ri

deST

R二g至二g法+九

iT（包）2T（包）2

dzdz

处数的好处是可由温度和风速的梯度计算，即只要有温、风的梯度观测，即可算得。

%的符号与Rf是一致的，稳定层结均为正值，不稳定层结均为负值，中性时皆为零。

③总体理查逊数Rb

Ri好处是它可以代表某一高度的稳定度，但假如平均风场、温度场的的观测数据精度

不高，则由此计算的风、温度梯度，尤其是分母的风梯度平方，会引起较大的误差，并

旦计算中的差分取对数毕竟麻烦，假如取线性差分，便不能代表某一高度，而只能代表

Z2和zi高度间的总体稳定度状况，这边是总体理查逊数Rb,两个高度中•种常取为地

面，设z处与地面处位温差为△心因地面风为零，设z处风为u,则()〜z间的Rb数：

%,=且丝z

D<Tn2

Tu

Rb数由于简朴，在实用中也很有用。

3.答：谱图有如下形式：

1)线性-线性表达法：s(n)~n或F(K|)~K|。

_____OO

由于口’2=JS{n}dn，因此曲线下方的面积与所在频率范围表达的方差成正

--X)

比。很轻易阐明这个频率范围的湍涡府总能最的奉献。可以清晰地反应出湍能的频率分布状

况。

2)半对数表达法：〃S(〃)一ln〃

纵坐标为线性，横坐标为对数，画出〃S(〃)一In”。纵坐标用〃S(〃)是为了使曲线下面的

面积仍然等于该频率段的方差。这样的谱图至少会出现一种极大值，而这个极大值所在位置

往往是湍流的经典尺度。

3)对数一对数表达法：In—\nn

能使多种各样的频率和谱密度显示出来，S(n)与n之间的任何累律关系也表达为直线,

S(n)与n-5/3成正比，但曲线下方的面积不再与能量成正匕。

四.论述题(每题15分，共15分)

1.答：非中性层结的大气，由于受热力因子的作用，滞流构造要发生对应的变化。气象要

素的铅直分布受大气检定度影响也会发生对应的变化。以风速为例，平均风廓线，在平

坦、均一的下垫面上，中性层结时呈对数分布，在单对数坐标系为直线形式，如图5.1

所示。非中性层结风廓线偏离对数分布，稳定层结呈上凸型，不稳定层结呈下凹型,

并且高度愈低，愈靠近对数律，即热力作用愈不明显。

//黎明，黄昏

白天//

64

32

16

翻6

幄4

27黑夜

1

0

11____________I_____________L

2345

风速/(m・G)

图3.4.1非中性风廓线示意图

图上的三条风廓线，也表达了经典的风速分布的日变化。清晨或傍晚，近中性层结，风

廓线靠近对数律；白天太阳辐射强，温度超绝热递减，为不稳定层结；夜晚地面葬射降

温，为稳定层结。晴空、小风时，日变化明显；阴天、大风时，这种日变化不明显,风

廓线日变化定性解释：层结不稳定，湍流发展，上下各层空气湍流互换强烈，风速分布

趋向均匀，差异减小.故呈下凹型；层结稳定，湍流受克制，湍流互换微弱，1•.下风速

差异大，故呈上凸型。

模拟试卷三

一.填空题（每空1分，共15分）

1.大气边界层由下到上分为、和________三层。

2.根据叉乘运算规则有：ixj=：ixi=。

3.稳定层结中，M-0长度L0：中性层结中，M-0长度L0；不稳定层结中M-0

长度L0。

4.与中性层结不一样，非中性层结的基本特性就是同机械作用一起参与对湍流

构造的影响。

5.假如把湍流场分解为不一样频率或不一样大小的湍涡的叠加，则可见能量是由

的湍涡即涡向的涡传播。

6.由K\F（KJ=〃S（〃）阐明在给定期刻，测得的与空间固定点测得的相似。

二.判断题（每题2分，共20分）

1.大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。（）

2.粘性副层中大气运动展现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。（）

3.近地层中动量通最、水汽通最和热通量等均为恒定的常值。（）

4.通过运用相似理论分析可以得到无量纲组之间满足的详细方程或关系式。（）

5.中性近地层风速廓线为“对数+线性律"。（）

6.粗糙度zo并不等于地面上各个粗糙元的高度，但这些粗糙元与zo之间是一一对应的关

系。()

7.无论稳定还是不稳定，R的绝对值越大，热力作用越强。（）

8.机械湍流与热力湍流相比，热力湍流能量更集中于低频端，也就是说不粒定层结引起的

热力湍流重要是小涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占重要地位。（）

9.热互换规律阐明可由稳定度日及外参数求地面湍流动量通量。（）

10.根据实测资料发现，在不一样高度上都展现温度波，高度愈高，振幅愈小，而温度最大

时的位相随高度增长而落后。（）

三,简答题（每题10分，共50分）

1.何谓闭合问题？一般怎样处理？

2.简述近地层重要物理特性。

3.什么叫湍流通量的参数化？

4.近地层中影响湍流场的重要参变量有哪些？

5.确定边界层高度的措施和途径有哪些？

四.推导题（每题15分，共15分）

1.试推导近地层粗糙流下的风速随高度分布的对数律廓线。

答案：（供参照）

一.填空题（每空1分，共15分）

1.大气边界层由卜.到上分为粘性副层、近地层（常通量层）和Ekman层（上部摩擦层）

三层。

2.根据叉乘运算规则有：ixj=k；ixi=QO

3.稳定层结中，M-0长度L2_0；中性层结中，M-0长度L=0；不稳定层结中M-0长度

Lf_0。

4.与中性层结不一样，非中性层结的基本特性就是速也皿同机械作用一起参与对湍流

构造的影响。

5.假如把湍流场分解为不一样频率或不一样大小的湍涡的叠加，则可见能量是由

的湍涡即低频涡向尺度小的高频涡向播。

6.由吊/（%）=/£（〃）阐明在给定期刻，测得的对数波数谱与空间固定点测得的对数

频率谱相似。

二.判断题（每题2分，共20分）

1.大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。（T）

2.粘性副层中大气运动展现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。（F）

3.近地层中动量通量、水汽通量和热通量等均为恒定的常值。（F）

4.通过运用相似理论分析可以得到无量纲组之间满足的详细方程或关系式。（F）

5.中性近地层风速廓线为“对数+线性律"。（T）

6.粗糙度zo并不等于地面上各个粗糙元的高度，但这些粗糙元与zo之间是一一对应的关

系。（T）

7.无论稳定还是不稳定，R的绝对值越大，热力作用越强。（T）

8.机械湍流与热力湍流相比，热力湍流能量更集中于低频端，也就是说不稳定层结引起的

热力湍流重要是小涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占重要地位。（F）

9.热互换规律阐明可由稳定度R及外参数求地面湍流动量通量。（F）

10.根据实测资料发现，在不一样高度上都展现温度波，高度愈高，振幅愈小，而温度最大

时的位相随高度增长而落后。（T）

三.简答题（每题10分，共50分）

1.答：所谓闭合问题实质I:是研究在哪阶有关矩处截断以及怎样用有关参数来表征方程中

出现的更高一阶的有关矩。这一问题十分重要，由于边界层内运动的湍流性是关健特

性，它的变化是引起边界层构造变化的重要因子。处理措施：使用一种有限数目的方

程组，然后用已知量来近似未知量。这种闭合近似或闭合假说是通过保留最高阶的预报

方程命名的。常用的闭合方案有：0阶闭合、1阶闭合、高阶闭合，非局地闭合等。

2.答：近地层大气的重要特性：受地面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度剧烈变

化，运动尺度小，科氏力可忽视不计，以大气湍流运动为特性，湍流输送占有压倒优势

作用，该层中动量、热量和水汽的铅直湍流输送通量几乎不随高度变化，又称常通量层。

3.答：根据湍流通量的定义，直接计算需要有湍流脉动资料，如〃'吠'、1'6'等，

而湍流观测及其资料并非常规气象量，没有专门的观测就很难得到，因此常用气象量将

其参数化就成为计算通量的重要措施。这当中，前面讲过的风、温、湿廓线求通量就成

为最重要的措施，由于这些廓线都表达了通量和风、温、湿梯度的关系。也就是说，

应用近地层相似理论，以尽量少的平均风、温资料，可以确定动量、热量和水汽通量，

这就是湍流通量的参数化。

4.答：应用相似理论，近地层大气影响湍流构造的重要通量是：动量通量。（特性速度小）,

热通量H（特性温度T*）,水汽通量E（特性湿度中），这些通量在近地层为常量。此外

尚有阿基米德净浮力系数g/〒（或g/d），在近地层中近似可作为常数，分子导温

系数”,分子粘性系数v,高度z,粗糙度zo。

5.答：大气边界层高度是一种重要的参数，在大气模式中边界层参数化，大气污染扩散，

边界层构造，各物理量廊线中都是一种重要参数，它是一种变量，前面讲的边界层高度

为1km只是一种平均概念。实际上，白天有对流时，它可以到达l~2km,而夜间强逆

温时甚至只有100~200m。从边界层高度确实定来说，可以有不一样的途径和措施。例

如从风随高度的变化讲，可以取风向达地转风的高度（h。风速达地转风的高度（hj,或

风速达最值的高度（LJ，这是从动力原因出发的。从热力原因出发，将温度梯度变为自

由大气所具有的值的高度，或温度梯度明显不持续的高度，或温度日变化非常小，靠近

消失的高度作为边界层高度。从能量出发，将湍流能量靠近消失或湍流应力靠近消失

的高度作为边界层高度。在大气模式中往往把Ri数等于临界值的高度作为边界层高度,

即是根据这一点。

不•样措施确定的边界层高度有的互相靠近，有的有差异。从实用上说，而不是从严格

的物理上说，由温度廓线定边界层高度更清晰，轻易某些，例如在白天对流发展时，就

将对流混合层的顶即上部稳定层的底作为边界层高度；而夜间稳定期当逆温发展到一定

程度就将地面逆温层的高度作为边界层高度。但从物理上说，把湍流消失的高度作为边

界层高度应更合理。

四.推导题(每题15分，共15分)

1.答：对数律风廓线推导措施1：

Prandtl假设：在固壁附近湍流混合长与离固壁的距离成正比，即

l=KZ(3.1)

式中k为karman常数，一般取0.4,1为混合长。

近地层一常值通量，湍流应力7；=-pu'w'为不随z变化的常数，并有

一u'w'=IQ(3.2)

式中〃”为摩擦速度，其值表征脉动速度的大小，是大气湍流的一种重要参数，与湍流应

力同样，在近地层〃.也是常数。

由湍流半经验理论有：rr=一/77京=pKm—(3.3)

dz

Km为湍流动量互换系数，U为近地层风速，取X轴沿风速方向。

根据混合长理论，有Kt)l=l\—)(3.4)

dz

综上:

(3.1)

代入

—u'w'=ui(3.2)q=3献(33)

—唱(3.4)

GZ开方,

取正值

这观及风廓线对数律.U*du

其中C可由边界条件u=—lnz+C

确定:dz

取边界条件：z=zo时，u=0,定积分上式中常数C,得：w=—In—

KzO

上式合用于z>Zo的范围，当zWZO,平均风速U皆为零。

模拟试卷四

一.填空题（每空1分，共15分）

1.自由大气中常取和二力平衡，而在边界层中还需要考虑力的影

响。

2.20世纪50年代前苏联科学家Momin和Obukhov建立的成了现代边界层气象

学的基础。

3.标量的通量是____量，矢量的通量是______量。

4.写出最常用的粗糙流的近地层风速廓线公式：。

5.|。越大，则表达热力作用相对机械作用越,因而大气越或°

6.根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作:另一类称作o

7.假如比较不一样粗糙度的风廓线，则在相似稳定度下，粗糙度小的地区，风对高度增长

较，在较高度即到达地转风大小，而粗糙度大的地区则风随高度增长

比粗糙度小时要。

二.判断题（每题2分，共20分）

I.近地层中大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化剧烈，各物理属性的铅

直输送通量近似为常值。（）

2.自由大气中不存在湍流运动。（）

3.热通量、水汽通量、动量通量均可提成一种垂直分量和两个水平分量，共3个分量。（）

4.方程中每当两个相似妁指数出目前同一项中时，它总是意味着反复指数取每一种值（I,

2,3）后对该项求和，（）

5.0阶闭合是最简朴的闭合方案，即不计湍流脉动有关矩项，是研究边界层问题时用的最

多的闭合方案。（）

6.整个边界层中风向随高度的变化可以忽视。（）

7.要计算热量通量，至少需要两层的风和两层的温度的观测。（）

8.湍能来源重要是尺度较大的湍涡。（）

9.中性时K自地面向上增K，最大值在200m左右，然后向上递减。（）

io.全边界层相似理论的一种重要结论即内外参数间存在对应的关系，可.以由外参数求出内

参数来，这就为边界层内通量的参数化提供了一种可行的途径。（）

三.简答题（每题10分，共50分）

1.Boussinesq近似下的大气运动方程组有何特点？

2.闭合问题是怎样产生的？

3.气象要素的分布状况，是近地层大气的湍流场多种因子综合作用的成果，重要的作用因

子有哪些？

4.试解释有效中性的产生。

5.分别解释内参数、外参数。阐明如下方程里面的参数哪此是内参数，哪些是外参数？

匕分、

—=匕Fl.3）

----=---—■匕

四.推导题（每题15分，共15分）

1.试推导阻力规律并阐明其意义。

答案：（供参照）

一.填空题（每空1分，共15分）

1.自由大气中常取科氏力和气压梯度力二力平衡,而在边界层中还需要考虑湍流粘

也力的影响。

2.20世纪5（）年代前苏联科学家Momin和Obukhov建立的相似理论成了现代边界层气象

学的基础。

3.标量的通量是矢矢,矢量的通量是张量。

4.写出最常用的粗糙流的近地层风速廓线公式：W=—In—o

KZ。

5.iq越大，则表达热力作用相对机械作用越上，因而大气越不稳定或越稳定°

6.根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：•类称作湍流的微尺度：另•类称作湍流的大

尺度或积分尺度。

7.假如比较不一样粗糙度的风廓线，则在相似稳定度下，粗糙度小的地区，风对高度增长

较快，在较&高度即到达地转风大小，而粗糙度大的地区则风随高度增长比粗糙度

小时要慢。

二.判断题（每题2分，共20分）

1.近地层中大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化剧烈，各物理属性的铅

直输送通量近似为常值。(T)

2.自由大气中不存在湍流运动。（F）

3.热通量、水汽通量、引量通量均可提成一种垂直分量和两个水平分量，共3个分量》（F）

4.方程中每当两个相似的指数出目前同一项中时\它总是意味着反复指数取每一种值（1,

2,3）后对该项求和，（T）

5.0阶闭合是最简朴的闭合方案，即不计湍流脉动有关矩项，是研究边界层问题时用的最

多的闭合方案。（F）

6.整个边界层中风向随奇度的变化可以忽视。（P）

7.要计算热量通量，至少需要两层的风和两层的温度的观测。（F）

8.湍能来源重要是尺度较大的湍涡。（T）

9.中性时K自地面向上增长，最大值在200m左右，然后向上递减。（T）

10.全边界层相似理论的一种重要结论即内外参数间存在对应的关系，可以由外参数求出内

参数来，这就为边界层内通量的参数化提供了一种可行的途径。（T）

三.简答题（每题10分，共50分）

1.答：Boussinesq假设下的大气近似方程组为

”-O

•小

包

A

组

右

阳

一

++〃

板0&

6R

名14E

a21•,

-勺7+

•的

f加C

.A/

P:)

从以上的方程组，可以清晰看出Boussinesq近似有如下特点：持续方程中可以不考虑

密度的扰动，仍可认为空气是不可压的。状态方程中密度的偏差项重要由温度偏差引起

的，假如已知温度扰动，则密度扰动也就确定。在运动方程中，由于温度的扰动产生的

密度扰动在中立作用的配合下，构成了阿基米德净浮力，它重要存在于垂直分量运动方

程中，即在与重力有关的运动中要考虑密度的变化。这一附加的力的产生，使边界层大

气出现了许多重要的现象。因此Boussinesq近似成功地考虑了大气的层结作用。

2.答：在导出描写边界层运动的平均运动的控制方程组时，方程内出现了由湍流脉动量构

成的记录量，例如一上)，一du^O项'。于是，方程所包括的未知量超过了方程的个

dxjdXj

数，必须要给出国用超项，方程组才能求解。然而，当建立起有关二阶有关矩函

和港方程时，方程中又出现了脉动量的三阶有关矩。当然可以反复上面推导二阶矩

方程的环节，建立三阶矩的方程式，但在这些方程的右端必然有出现四阶矩。依此类推,

但建立第n阶有关矩方程时，将出现n+1阶有关矩项。故为使方程闭合可解，必须针

对所研究的问题需要，在某阶有关矩方程处截断。所谓闭合问题实质上是研究在哪阶有

关矩处截断以及怎样用有关参数来表征方程中出现的更高一阶的有关矩。

3.答：气象要素的分布状况，是近地层大气的湍流场多种因子综合作用的成果。重要的作

用因子有两类：

>一类是靠近地表受下垫面机械作用的影响，这与下垫面的几何状态有关，粗糙表面

和光滑表面不