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）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. 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Монии-Обухов(M -O) 的相似理论最为完整。

5. 由11()()K F K nS n =可以说明在给定时刻，测得的 与空间固定点测得的相同。

6. 无量纲量*2L Lμ∏==因含L ，可代表 。

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略，因而决定大气边界层中湍流状态高度分布的参数除 外，还应加上一个 。

二．名词解释（每小题5分，共20分）1. 大气边界层2. 闭合问题3. 中性层结4. 通量理查逊数R f三．简答题（每小题10分，共50分）1. 边界层大气运动有哪些特征？2. 简述近地层主要物理特征。

3. 在强稳定层结中为什么z 不是控制变量，即无z 尺度？4. 湍流达到充分发展状态时，其能谱可分为哪几个区？5. 什么叫边界层的参数化问题？四．推导题（每小题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h c 。

答案：（供参考）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 湍流粘性 力的影响。

2. 大气边界层由下到上分为 粘性副层 、 近地层（常通量层）和 Ekman 层（上部摩擦层）三层。

3. 根据雷诺平均有：AB AB A B ''=+；A B A B ±=±。

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Монии-Обухов(M -O) 的相似理论最为完整。

5. 由11()()K F K nS n =说明在给定时刻，测得的 对数波数谱 与空间固定点测得的 对数频率谱 相同。

6. 无量纲量*2L Lμ∏==因含L ，可代表 边界层的稳定度 。

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略，因而决定大气边界层中湍流状态高度分布的参数除*,,,p H g u z c T ρ外，还应加上一个地转参数 f 。

二．名词解释（每小题5分，共20分）1. 大气边界层——为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面相互作用的层次，更精确地说，应是在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，因为如果时间尺度更长，下垫面影响的高度会更高。

2. 闭合问题——是研究在哪阶相关矩处截断以及如何用有关参数来表征方程中出现的更高一阶的相关矩。

3. 中性层结——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R f ——定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即2*'p f g H g w T c T R u u u w u z z θρ'=-=-∂∂''-∂∂5.三．简答题（每小题10分，共50分）1. 答：边界层大气运动的特征有：（1）必须考虑地球自转的影响 —引入科氏力（2）大气密度不均匀，特别是在铅直方向的不均匀 —层结流体（3）大气运动的水平尺度大于垂直尺度 —视为浅层流体（4）大气边界层主要是湍流运动 —运动方程中增加湍流项2. 答：近地层大气的主要特征：受地面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度激烈变化，运动尺度小，科氏力可忽略不计，以大气湍流运动为特征，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改变，又称常通量层。

3. 答：在中性层结，|L| → ∞,这时唯一的特征长度就是z ，这标志着湍涡的尺度可以达到离地面的高度。

但当层结很稳定度时，有强烈的“恢复力”，湍涡受到很大抑制，湍涡尺度小于中性层结的情况。

当层结稳定度不断增加时，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致如下图所示，可以分为三部分：含能区、惯性区和耗散区。

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，也是主要的湍能产生区，大部分湍能集中在该区，典型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征量。

惯性区：其典型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，能量既不增加也不损耗，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：随着湍涡尺度的减小，由于受粘滞性的影响愈来愈强，能量损失也不断增大。

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。

如何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。

其中重要的一点是如何将地面的湍流通量(以u*、T*)与宏观参数如地转风、边界层上下界间的位温差、粗糙度等联系起来，以便由外参数求内参数或反之。

四．推导题（每小题15分，共15分）1. 答： 对运动方程23320()1i j i i d d i j i c ij j j i j ju u u u p T u u g f u t x x T x x δενρ''∂-∂∂∂∂+=-++++∂∂∂∂∂略去平流项，分子粘性项，可写成：1p 1x x u fv t z τρρ∂∂∂=-+∂∂∂此处u'w'x τρ=-为由上向下的动量通量，u t∂∂比右端各项小一个量级，右端三项具有相同的量级，这是边界层特点；在自由大气中就主要是气压梯度力和科氏力。

在中纬度地区，f=10-4s -1，v=10m·s -2 ，即31()10x O zτρ-∂=∂ 由此可以估计出高度变化多少可使τx 变化一个预先给定的相对值，例如，我们问在多大的△z 上可使△ τx 等于其地面值τx0的1/10，此时△z 就等于常值通量层的厚度h c 。

则有：取3201,1x kg m N m ρτ--=⋅=⋅，代入右式得：h c =100m ，即在100m 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 研究的推动下发展起来的，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：i j = ；i i = 。

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Монии-Обухов(M -O) 的相似理论最为完整。

6. 判断粗糙流和光滑流的标准是 。

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 。

8. **u L f κ=是具有长度量纲的新的长度尺度，认为与 只差一个常数因子。

二．名词解释（每小题4分，共20分）1. 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（每小题10分，共50分）1. 大气边界层分哪些层？各层特点？2. K 理论的优缺点如何？3. 简述空气动力学光滑流和空气动力学粗糙流区别。

4. 经常用的理查孙数有哪些？分别介绍之。

5. 常用的谱图有哪些形式？四．论述题（每小题15分，共15分）1. 试绘图说明各种层结稳定度下的风廓线规律。

答案：（供参考）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 研究的推动下发展起来的，前者需要弄清大气边界层的 湍流场结构和时空分布 ；后者需要 求解大气边界层方程组及解决大气模式中边界层参数化问题 。

2. 根据点乘运算规则有：0i j =；1i i =。

3.目前，用的最多的闭合方案是一阶闭合（K理论）。

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

5.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Монии-Обухов(M-O) 的相似理论最为完整。

6.判断粗糙流和光滑流的标准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积分尺度。

8.**uLfκ=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个常数因子。

二．名词解释（每小题5分，共20分）1.低空急流——边界层内，在几百米的高度上，特别是在夜间，经常出现风速极大值的区域，如果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——为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面相互作用的层次，更精确地说，应是在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，因为如果时间尺度更长，下垫面影响的高度会更高。

3.局部闭合——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——定义为感热通量和潜热通量之比。

5.非局部闭合——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（每小题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，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。

这一层的典型厚度1cm~几个cm，因此对多数实际问题而言，可以忽略它。

近地层（常通量层）：从粘性副层到50-100m，这一层大气运动呈现明显的湍流性质，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结果，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1-1.5km。

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：将湍流交换用分子交换同样的方法来处理的做法称为K理论，又因它带有一定的经验性，亦称半经验理论，它的好处是简单，缺点是理论基础不够，并不能普遍适用，对大气而言，在强不稳定层结时几乎不能用，因为不稳定时，湍流交换主要由“大涡”完成，而大涡的输送机制并不服从上面的规律。

但由于简单，它如今仍是用得最多的办法。

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。