动力气象学 线性动力稳定性理论(6.4)--思考题、习题
动力气象学作业题
动力气象学作业题动力气象学一、单选题1、1939年___引进β平面近似，创建了著名的长波理论。
A、A.V.皮耶克尼斯B、B.恰尼C、C.菲利普斯D、D.罗斯贝答案:D2、大气是层结流体，大气的密度分布随高度变化，通常来说，___中容易产生积云对流。
A、A.不稳定层结B、B.稳定层结C、C.中性层结D、D.分层层结答案:A2、罗斯贝数是一无量纲参数，有一定的物理意义，它代表水平惯性力相对科氏力的量级，当它的大小接近0.1时，代表中纬度的___。
A、A.小尺度运动B、B.中尺度运动C、C.大尺度运动D、D.微尺度运动答案:C3、可用于判断对流或扰动发展的无量纲参数是___。
A、A.罗斯贝数B、B.基别尔数C、C.无量纲厚度参数D、D.理查森数答案:D3、在北半球，满足风压定律的高压是下列___项。
A、A.高压在运动方向右侧，高压伴随有反气旋式环流B、B.高压在运动方向左侧，高压伴随有反气旋式环流C、C.高压在运动方向右侧，高压伴随有气旋式环流D、D.高压在运动方向左侧，高压伴随有气旋式环流答案:A4、全位能是指内能和___之和。
A、A.动能B、B.潜热能C、C.位能D、D.显热能答案:C4、在___条件下，全球大气的内能、位能、动能的总和是守恒的。
A、A.绝热B、B.无摩擦C、C.绝热无摩擦D、D.定常答案:C5、取布西内斯克近似的优点是，滤去了大气中的___。
A、A.声波B、B.兰姆波C、C.重力外波D、D.重力惯性外波答案:A6、重力内波产生的条件之一是___.A、A.不稳定层结B、B.中性层结C、C.稳定层结D、D.对流层结答案:C1、大气相对运动方程是根据___定律得到。
A、A.牛顿第二定律B、B.质量守恒定律C、C.气体试验定律D、D.热力学能量守恒定律答案:A2、分析流体运动有两种方法，一种是___，一种是欧拉方法。
A、A.拉格朗日法B、B.小尺度方法C、C.尺度分析D、D.气团方法答案:A3、按照水平尺度划分，龙卷属于___。
动力气象课后习题标准答案doc
动力气象课后习题标准答案.doc 动力气象课后习题标准答案1. 什么是动力气象学？动力气象学是研究大气运动和气象现象的科学。
它主要涉及大气力学、热力学和动力学等方面的知识，通过数学模型和物理规律来描述和预测大气中的各种运动和现象。
2. 什么是大气力学？大气力学是研究大气运动的科学。
它主要研究大气中的气体运动、气压分布、风场形成和演变等现象，以及它们与天气和气候的关系。
3. 什么是热力学？热力学是研究能量转化和热力传递的科学。
在动力气象学中，热力学主要研究大气中的能量转化和热力传递过程，包括辐射、传导和对流等，以及它们对大气运动和气象现象的影响。
4. 什么是动力学？动力学是研究物体运动的科学。
在动力气象学中，动力学主要研究大气中的运动方程和运动规律，包括质量、动量和能量守恒定律等，以及它们对大气运动和气象现象的影响。
5. 什么是大气稳定度？大气稳定度是指大气中的气块上升或下沉时，受到的抵抗力和推动力之间的平衡状态。
当气块受到的抵抗力大于推动力时，大气稳定，气块下沉；当推动力大于抵抗力时，大气不稳定，气块上升。
6. 什么是大气边界层？大气边界层是指大气中与地表直接接触并受地表摩擦影响的一层大气。
它的高度一般在几百米到几千米之间，对大气中的能量和物质交换具有重要影响。
7. 什么是风？风是指大气中的气体运动。
它的产生和变化与大气压力差、地转偏向力和摩擦力等因素有关，是大气环流和气象现象的重要组成部分。
8. 什么是气压场？气压场是指大气中不同地点的气压分布。
它是由大气中的气块运动和密度变化等因素引起的，对大气运动和天气变化具有重要影响。
9. 什么是风场？风场是指大气中不同地点的风速和风向分布。
它是由大气压力差和地转偏向力等因素引起的，是描述大气运动和气象现象的重要参数。
10. 什么是气象现象？气象现象是指大气中的各种现象，如降水、云层、气温和湿度等的变化。
它们是由大气运动和能量交换等因素引起的，对天气和气候的形成和演变具有重要影响。
动力气象学 线性动力稳定性理论 (6.1)--线性动力稳定性理论
• 在具有铅直切变基流中产生的长波不稳定称为斜压不稳 定。
Vg ln p
R f
k
(T ) p
31
• 在斜压大气中，斜压基本气流提供给扰动能量，使扰动得 到不稳定发展，这种动力不稳定称为斜压不稳定。斜压不 稳定扰动发展所需要的能量，除了基本流水平切变动能提 供能量外，还可通过斜压位能的释放提供。
(b) 振幅方程两端乘以Φ*，
*
d 2
dy 2
d dy
( *
d )
dy
d *
dy
d
dy
d dy
( *
d )
dy
d
dy
2
d
(* d )
d
2
k
2
2
2u y 2
2
dy dy dy
u c
代入（*）式
21
方程对y积分，并利用边界条件
i r 0(at y y1 , y2)
u
u0
du dy
y
由气块水平运动方程： du dy
du dt
dt dy
du dt
1 v
f0
则u u0 f0y u0 f0y
10
而在 y0 y 处，环境气流的速度
u
(
y0
y)
u0
u y
y
因而，气块的南北向加速度为：
dv dt
f0u
f0u
t x y
u v 0 x y
采用小扰动方法，在(x,y)平面内 u u ( y) u'(x, y,t)
动力气象学 线性动力稳定性理论(6.5)--习题答案
1. 假定对流层顶高度为H ，对流层中的温度随高度线性递减(TT =TT 0−γγγγ)，对流层顶以上温度随高度不变，大气满足静力平衡条件，试求单位截面积自海平面延伸至大气上界整个气柱中的内能、位能、全位能。
解：大气温度的垂直分布为：00,0,T z z H T T H z Hγγ−≤≤ = −>由静力方程和状态方程，可以得到：000,,R g H H Hp T p p p T p T p p γ<< = <因为0*0p vc I Tdp g=∫，0*0p R Tdp g Φ=∫，***P I =+Φ，所以：0*000H H R g p p v H p c p I T dp T dp g p γ=+∫∫ ()00vH HH H c g T p T p T p gg R γ−+ + 00v H H c R T p T p g R g γγ+ +**00H H v R RR I T p T p c g R g γγΦ==+ +***00pH H c R P I T p T p g R g γγ =+Φ=+ +2. 试证明全位能平衡方程有以下形式，其中pp 00=1000ℎPPPP 。
/*00pR c p M M Ep d dM c dM t p dtθωα ∂=+ ∂∫∫解：全位能平衡方程为：*MME dM Q dM tωα∂=+∂∫∫热力学能量方程为：ln 1p d Q dt c Tθ=因为：00pR c p T p θ=所以：111000pR c p p d Q T dt c Tθ =即：1000pR c p p d Q c dtθ =所以全位能平衡方程为：/*00pR c p M M E p d dM c dM tp dtθωα∂=+ ∂∫∫3. 利用上题证明有效位能平衡方程有以下形式：*1p Rc M M A pdM Q dM t p ωα ∂ =+− ∂ ∫∫其中，pp̅为大气参考状态（有效位能为零）时的气压，试讨论方程右端两项的物理意义。
动力气象试题解答讲解学习
动⼒⽓象试题解答讲解学习动⼒⽓象试题解答⼀、名词解释1. 科⾥奥利⼒科⾥奥利⼒是⼀种视⽰⼒，它只是在物体相对于地球有运动时才出现。
单位质量空⽓微团所受的科⾥奥利⼒为32V 。
32V 始终与和3V 相垂直，⽽与⾚道平⾯垂直，所以32V 必通过运动微团所在的纬圈平⾯内。
在北半球，科⾥奥利⼒指向速度的右⽅，科⾥奥利⼒对空⽓微团不作功，它不能改变空⽓微团的运动速度⼤⼩，只能改变其运动⽅向。
2．尺度分析法尺度分析法是⼀种对物理⽅程进⾏分析和简化的有效⽅法。
尺度分析法是依据表征某类运动系统的运动状态和热⼒状态各物理量的特征值，估计⼤⽓运动⽅程中各项量级⼤⼩的⼀种⽅法。
根据尺度分析的结果，结合物理上考虑，略去⽅程中量级较⼩的项，便可得到简化⽅程，并可分析运动系统的某些基本性质。
3．罗斯贝数罗斯贝数的定义式为 L f U R 00 ，它代表⽔平惯性⼒与⽔平科⾥奥利⼒的尺度之⽐。
罗斯贝数的⼤⼩主要决定于运动的⽔平尺度。
对于中纬⼤尺度运动，10 R ，科⾥奥利⼒不能忽略不计，对于⼩尺度运动，10 R ，科⾥奥利⼒可忽略不计。
4. Richardson 数理查德孙（Richardson ）数的定义式为222U D N Ri ，它代表垂直惯性⼒与⽔平科⾥奥利⼒的尺度之⽐。
由于 Ri UD N z V N z V z g 222222~ln ，理查德孙数⼜是⼀个与⼤⽓层结稳定度和风的铅直切变有关的动⼒学参数。
层结愈不稳定，风的铅直切变愈强，则愈有利于湍流和对流运动的发展，所以Ri 可⽤于判断对流或扰动发展的条件。
5．地转风等压线为⼀族平⾏的直线（ ||T R ）时的平衡流场称为地转风场，或称为地转运动。
在地转运动中，⽔平⽓压梯度⼒与科⾥奥利⼒相平衡。
地转风的⽅向与等压线相平⾏，在北半球（f ＞0），⾼压在速度⽅向右侧，低压在速度⽅向左侧；地转风⼤⼩与⽔平⽓压梯度成正⽐，与密率和纬度的正弦成反⽐。
地转风关系的重要性在于揭⽰了⼤尺度运动中风场和⽔平⽓压场之间的基本关系。
动力气象学知到章节答案智慧树2023年南京大学
动力气象学知到章节测试答案智慧树2023年最新南京大学绪论单元测试1.不同于普通流体，地球大气有哪些基本特征?参考答案:受到重力场作用;旋转流体;具有上下边界 ;密度随高度变化2.中纬度大尺度大气运动的特点包括参考答案:准水平无辐散;准地转 ;准静力 ; 准水平3.以下哪种波动的发现及其深入研究，极大地推动了天气预报理论和数值天气预报的发展？参考答案:Rossby波4.动力气象学的发展与数学、物理学及观测技术的发展密不可分。
参考答案:对5.大气运动之所以复杂，其中一个原因是其运动具有尺度特征，不同尺度的运动控制因子不同。
参考答案:对第一章测试1.以下关于惯性坐标系，错误的说法是参考答案:惯性坐标系下测得的风速是地球大气相对于旋转地球的相对速度2.关于科里奥利力，以下错误的说法是参考答案:在全球大气的运动中，科里奥利力均使得大气运动方向右偏3.物理量S(x,y,z,t)能够替代z作为垂直坐标需要满足哪些条件参考答案:需要满足一定的数学基础和物理基础;S与z有一一对应关系;要求S在大气中有物理意义4.通过Boussinesq近似方法简化大气运动方程组，可得如下哪些结论参考答案:垂直运动方程中与重力相联系的项要考虑密度扰动作用;连续方程中可不考虑扰动密度的影响，与不可压流体的连续方程形式相同;大气密度的扰动变化，对垂直运动有较大影响5.Rossby数的物理意义包括参考答案:Rossby数的大小可用于划分运动的尺度;表征地球旋转的影响程度;判别相对涡度和牵连涡度的相对重要性第二章测试1.下面哪些变量可以描述大气旋转性特征参考答案:螺旋度;环流;涡度2.在什么情况下，绝对环流是守恒的参考答案:正压无摩擦大气;绝热无摩擦大气3.对于中纬度大气的平均状况而言，从对流层低层向上到平流层，位势涡度会发生怎样的变化参考答案:位涡在对流层顶附近会迅速增加4.对大尺度运动，引起绝对涡度变化的量级最大的项为参考答案:散度项5.通常在大气中，非绝热加热在热源上方和下方分别会产生哪种位涡异常参考答案:负，正第三章测试1.地转偏差随纬度和季节变化的特征有参考答案:夏季比冬季大;在低纬度地区相对较大;在大气低层相对较大2.下列关于地转偏差的表述正确的是参考答案:在北半球与加速度方向垂直;与加速度项成正比3.下面哪项不是地转偏差的组成项参考答案:气压梯度项4.下面关于地转适应和地转演变的说法错误的是参考答案:地转演变可以看成线性过程5.以下正确的说法是参考答案:流场和气压场相互调整，使得大气恢复准地转平衡的过程称作地转适应;纯地转运动是定常运动第四章测试1.浪花云是由两种不同云层的切变不稳定导致，以下说法正确的是参考答案:快速移动且密度较低的云层在速度较慢且密度更高的云层上方2.小扰动法的基本气流一般取为沿纬圈平均的速度场，若考虑斜压切变气流，这一速度场应取为参考答案:y和z的函数3.以下哪些条件可以滤去重力内波参考答案:水平无辐散;中性层结大气;f平面上地转近似4.关于Rossby波的频散强度，以下正确的有参考答案:大槽大脊频散强;低纬频散强5.由一维线性涡度方程∂ζ⁄∂t+βv=0讨论Rossby波的形成，对初始只有v=Vcos(kx)的南北风谐波状扰动，以下不正确的是参考答案:x=0处的运动状态将被其左侧的运动状态代替第五章测试1.如果扰动随时间增长，那我们称这个扰动为参考答案:发展2.斜压不稳定中，扰动发展的能量来自参考答案:有效位能的释放;基本气流的动能3.若采用标准模方法分析稳定性，设扰动方程单波解为，以下哪个参数影响波在x方向上的传播速度。
动力气象学 线性动力稳定性理论(6.3)--常见问题
第五章 线性动力稳定性理论
1. 惯性不稳定为什么会发生在副热带高压与阻塞高压北侧？
2. 惯性频率中科氏参数变化的影响？
3. 惯性不稳定有何用？
4. 正压不稳定所造成扰动的尺度与惯性不稳定所造成扰动的尺度，哪个大？
5. 正斜压不稳定第二必要条件所谓的正相关有何依据？正相关与积分大于零并没有任何关系。
6. 斜压不稳定连续模式中，下边界条件（5.4.6）如何得到？上边界条件（5.4.12）如何得来？
7. 斜压不稳定二层模型中，公式（5.5.23）中有正负号，为何图5.5中只画出正号的解？。
《动力气象学思考题与习题集》
动力气象学思考题与习题集
（大气科学专业适用）
李 国 平 编
成 都 信 息 工 程 学 院 大 气 科 学 系
二 O O 一年六月编写 二 O O 五年八月修订
1
电子文档制作：成都信息工程学院 大气科学系 李国平（教授） ，2005 年 8 月
CP RT ) Cv
注意第(3)个关系仅是数量上的近似关系。 5 利用埃克曼公式，对于行星边界层中的单位截面积气柱，假定空气密度ρ为常 数，试求 (1)气压梯度力作功(或湍流摩擦耗损，两者在数量上相等)； (2)平均运动动能； (3)平均运动动能与扰动动能之间的转移率。 6 上题若假定空气密度 ρ =
2 1 ρ g z (其中 z 为液体自由面在水箱底以 2
-1
6
电子文档制作：成都信息工程学院 大气科学系 李国平（教授） ，2005 年 8 月
(2)试证明每单位面积的平均有效位能等于
1 ρ gz '2 ，其中 z'=z- z 。 2
(3)试证明从位能转化成动能的平均转换率为-ρgwz。 其中 w 为自由表面的铅直速 度。并根据水平气流穿越等压线的现象，对此结果作定性解释。 －2 3 设通过大尺度热力直接环流，全球平均动能产生的速率约为 2 瓦特·米 。 －1 (1)假定大尺度大气运动的均方根速度为 17 米·秒 ，试计算要完全补偿大气环流 的动能需要多长时间? (2)试计算大气热机的热效率。 (3)试计算大气热源与热汇间的温差。 4 若满足静力平衡，证明以地面为底(气压为 p0)，高为 h(气压为 ph)的单位截面积 * * * * 气柱，其位能Φ ，内能 I ，全位能 P 及动能 K 之间满足下列关系
动力气象课后习题答案
1、大气运动方程组一般由几个方程组成？那些是预报方程？哪些是诊断方程？答：大气运动方程组一般由六个方程组成，分别是三个运动方程、连续方程、热力学能量方程、状态方程；若是湿空气还要加一个水汽方程。
运动方程、连续方程、热力学能量方程是预报方程，状态方程是诊断方程。
2、研究大气运动变化规律为什么选用旋转参考系？旋转参考系与惯性参考系中的运动方程有什么不同？For personal use only in study and research; not for commercial use答：地球以常值角速度Ω绕地轴旋转着，所以任何一个固定在地球上并与它一道运动的参考系，乃是一个旋转参考系。
为了将牛顿第二定律应用于研究相对于旋转参考系的大气运动，不但要讨论作用于大气的真实力的性质，而且要讨论绝对加速度与相对加速度之间的关系。
相对于惯性参考系中的运动方程而言，旋转参考系中的运动方程加入了视示力（科里奥利力、惯性离心力）。
3、惯性离心力与科里奥利力有哪些异同点？答：都是在旋转参考系中的视示力；惯性离心力恒存在，而大气相对于地球有运动时才会产生科里奥利力。
4、重力位势与重力位能这两个概念有何差异？答：重力位势：重力位势表示移动单位质量空气微团从海平面（Z=0）到 Z 高度，克服重力所做的功。
重力位能：重力位能可简称为位能。
重力场中距海平面 z 高度上单位质量空气微团所具有的位能为Φ=gz，引进重力位势后， g等重力位势面（等Φ面）相垂直，方向为高值等重力位势面指向低等重力位势面，其大小由等重力位势面的疏密程度来确定。
所以，重力位势的空间分布完全刻划出了重力场的特征。
5、试阐述速度散度的物理意义？速度散度与运动的参考系有没有关系？答：速度散度代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。
因，故速度散度与运动的参考系没有关系。
8、计算 45° N跟随地球一起旋转的空气微团的牵引速度。
答：由速度公式可知，牵引速度为：大小为；方向为向东。
汪澜动力气象资料真题 习题.docx
2014年真题：五、请说出物理过程参数化、模式初始化的大概内容。
(10分)初始化：(1)用原始方程模式作预报时，由于观测或分析资料的误差导致风场和气压场的不平衡，初始资料和数值模式之间的不平衡，直接采用未经任何处理的观测值或分析值作为模式的初始场，容易导致高频振荡，产生计算不稳定。
因此，需要对模式的初值进行处理，即称为模式的"初始化”(2)模式常用的初始化方法包括：静力初始化、动力初始化和变化初始化三种。
物理过程参数化：(1)为了提高预报的确率，往往要在数值天气预报模式中引入一些影响大气运动的重要物理过程，而这些过程基本上属于次网格过程，很难用显式的方法在模式中表示出来。
通常把上述次网格的物理过程，通过大尺度的物理量来描述它们的统计效应，并作为某些物理量的源或汇包含在大尺度运动方程组中，这种方总统称为“参数化”的方法。
(2)模式的物理过程参数化的主要内容包括：辐射传输、水汽凝结、边界层的处理(湍流对热量、动量和水汽的输送等)、地形作用等等。
六、离散化常用的两种方法，并分析其优缺点。
(10分)离散化方法：有限差分方法即格点法，和谱方法。
(详见P82顶上一段话)比较：谱模式的优点主要表现为以下几点：(1)对空间微商的计算精确，从而使得用谱方法估计的位相速度比一般差分法估计的要准确；(2)对于二次型的非线性项的计算，消除了非线性混淆现象，可避免由此引起的计算不稳定；(3)用谱方法展开求解球坐标下的控制方程组，不需要像有限差分法那样，对球面网格中的极点做特殊处理，因而特别适合于全球或半球模式。
尤其三角形截断的球谐函数展开式，可以得到在整个球面均匀的水平分辨率，这是网格点法难以完全做到的；(4)在谱模式中易于应用半隐式时间积分方案，其计算比网格点简单，可节省计算时间；(5)谱方法能自动并彻底地滤去短波，效果比一般差分法中用平滑算子要好；(6)由于在全球模式中通常选择球谐函数作为谱展开式的基函数，而球谐函数正好是球面上的Laplace算子的特征函数，所以在模式中计算V2p(p为正整数)型的水平扩散项非常方便。
《新编动力气象学》习题答案
=
2p f
u02
+
v02
cos(
ft
+
tan -1
u0 v0
)
8
15
(1) u = u0 cos ft + v0 sin ft, v = v0 cos ft - u0 sin ft (2) V = u2 + v2 (3) (x - a)2 + ( y - b)2 = u02 + v02
f (4) r = u02 + v02 = 68568(m)
10
(1) u = -2x, v = 2 y , w = 2zt 1+t 1+t
(2) 不是 (3)ìíîzx=y1=1
ìx = e-2t (4)ïí y = (1+ t)2
ïîz = e2t (1+ t)-2
11
3
(1) 不存在势函数，存在流函数y＝ 1 y2 - y + tx 2
ì ïx ï
ur
ur ur
(2) Ñ ´V a = Ñ ´V + 2W
10 d ( rv ) = 0 dt rd
11
(1) w0 = 0.2(m × s-1) , 爬坡 (2) ¶p = 0.0501(N × m-2 × s-1) = 5.5(hPa / 3hr)
¶t (3) w = -0.731´10-2 (m × s-1),下坡
¶t
+
u
¶v ¶x
+
v
¶v ¶y
=
-
1 r
¶p ¶y
ï ï-(u î
¶w ¶x
+
v
¶w ) ¶y
动力气象学复习思考题与习题解题汇编
dT dp （2）用气压、气温表述 c p dt dt Q
（3）用气压、密度表述
d ln p d ln
1
Q
， 为 Poisson 指数
dt
dt cvT
（4）用位温表述
d ln
1
Q
dt c pT
20.如何理解大气中短时期的热力过程可视为绝热过程？
答：在空气运动的短期变化过程中，可以认为空气微团与外界无热量交换，这就是绝热过程。 21.试阐述速度散度的物理意义？速度散度与运动的参考系有没有关系？
位置矢量
r
ix
jy
kz
3
动力气象学复习思考题与习题
水平速度 V i x jv (2)柱坐标系 (r、、z)
i
j
k
x y z
V
u
v
x y
k
( V )
v
u
x y
2 h
2 x 2
2 y 2
位置矢量
r
ir
kz
水平速度 V i u jv
i
j
1
k
r r z
V
答：重力位势：重力位势 表示移动单位质量空气微团从海平面（Z=0）到 Z 高度，克服重
力所做的功。 重力位能：重力位能可简称为位能。重力场中距海平面 z 高度上单位质量空气微团所具有的 位能为
gz 引进重力位势后， g 等重力位势面（等 面）相垂直，方向为高值等重力位势面指向低等重
力位势面，其大小由等重力位势面的疏密程度来确定。所以，重力位势的空间分布完全刻画 除了重力场的特征。
科里奥利力垂直于V ，在北半球指向运动的右侧，在赤道处沿半径向外，在极地其垂直于地
轴向外。 5.惯性离心力是怎样产生的？如果没有地球旋转，此力存在不存在？
动力气象 第五章 线性动力稳定性理论
若大气对受扰动的气块的运动起限制作用，使 气块返回原来的平衡位置，称之为惯性稳定；如 大气对受扰动的气块起加速作用，使气块远离平 衡位置，称惯性不稳定。
6
利用气块法讨论惯性不稳定特征
• 设环境大气基本状态满足地转平衡 关系，且环境大气重力场只有南北
线性稳定性（扰动发展初始阶段，normal mode标准模方法） 非线性稳定性（global approach 整体方法)
3
• 时间稳定性问题，在数学上相当于解方程组的初值问题， 若初值的解随时间趋于定常，说明气流是稳定的，否则是 不稳定的
波在x方向传播，扰动方程的单波解
( y, z)ei(kxt) ( y, z)eik (xct)
>0 惯性稳定 =0 中性 <0 惯性不稳定
环境气流的绝对涡度是惯性稳定度的判据。由于大尺 度运动的绝对涡度一般为正，故大尺度运动一般来说 是惯性稳定的。惯性不稳定一般只能在急流切变区或 低纬区域才能出现。
9
• 扰动发展需要能量
➢ 太阳辐射：长期过程，对一般的天气系统（气旋、台风、长波等两 三天内发展到最强的系统）而言，可以忽略 ➢ 相变潜热：较强对流系统 ➢ 位能：正压大气不能释放有效位能 ➢ 基本气流平均动能：正压、斜压大气扰动能量来源
f
)
1
0
z
( 0 w)
0
u v 0 x y
采用小扰动方法，在(x,y)平面内
u u ( y) u'(x, y,t) v v'(x, y,t) u v' u' 动涡度方程：
' u ' v' v' 0 t x y
动力气象总复习题
动力气象总复习题一、名词解释1.位温：气压为p，温度为T的干气块，干绝热膨胀或压缩到1000hPa 时所具有的温度。
θ=T(1000/p)R/Cp，如果干绝热，位温守恒（∂θ/∂t=0）。
2.尺度分析法：依据表征某类大气运动系统各变量的特征值来估计大气运动方程中各项量级的大小，判别各个因子的相对重要性，然后舍去次要因子而保留主要因子，使得物理特征突出，从而达到简化方程的一种方法。
3.梯度风：水平科氏力、惯性离心力和水平气压梯度力三力达到平衡，此时空气微团运动4.地转风：对于中纬度天气尺度的扰动，水平科氏力与水平气压梯度力接近平衡，这时空1V k =-⨯。
地转风：在自由大气中，因气压场是平直的，空气仅受水平气压梯度力和水平地转偏向力的作用，当二力相等的空气运动称之为地转风。
5.惯性风：当气压水平分布均匀时，科氏力、惯性离心力相平衡时的空气流动。
表达式为：6.旋衡风：在小尺度运动中，惯性离心力和水平气压梯度力相平衡时的空气流动。
表达式7.正压大气：大气密度的空间分布仅依赖于气压(p)的大气，即：ρ=ρ(p)，正压大气中地转风不随高度变化，没有热成风。
8. 斜压大气：大气密度的空间分布依赖于气压(p )和温度(T )的大气，即：ρ=ρ(p , T )。
实际大气都是斜压大气，和正压大气不同，斜压大气中等压面、等比容面（或等密度面）和等温面是彼此相交的。
9. 湿静能：湿空气的内能（c v T ）、位能（gz ）、压力能（p /ρ）及潜热能（Lq ）之和，其表达式为：E s= c v T +gz + p /ρ+Lq 。
也称为静力能。
10. 埃克曼螺线：行星边界层内的风场是水平气压梯度力、科氏力和粘性摩擦力三着之间的平衡结果。
若以u 为横坐标，v 为纵坐标，给出各个高度上风矢量，并投影在同一个平面内，则风矢量的端点迹线为一螺旋。
称为埃克曼螺线。
11. 梯度风高度：当z H =π/γ，γ=(2k /f )1/2时，行星边界层风向第一次与地转风重合，但是风速比地转风稍大，在此高度之上风速在地转风速率附近摆动，则此高度可视为行星边界层顶，也表示埃克曼厚度。
《动力气象学》课程笔记
《动力气象学》课程笔记绪论1. 动力气象学发展史1.1 重大理论发现动力气象学的早期发展主要基于对大气运动的观测和理论推测。
19世纪，科学家们开始系统地研究大气运动，并逐渐揭示了影响大气运动的一些关键因素。
这些因素包括：- 科里奥利力：由法国物理学家加斯帕尔·科里奥利首次提出，它解释了地球自转导致的风的偏转现象。
- 地转偏向力：由于地球自转，大气中的气流会相对于地面产生偏转，这个力就是地转偏向力。
- 大气压力和密度变化：大气压力和密度的变化会影响大气运动，这些变化与温度、湿度等因素有关。
1.2 数值天气预报20世纪中叶，随着计算机技术的发展，动力气象学进入了一个新的时代。
科学家们开始利用计算机来求解大气运动方程组，这种方法被称为数值天气预报。
数值天气预报的出现极大地提高了天气预报的准确性，使得气象学成为了一门更加精确的科学。
1.3 动力气象学发展新阶段近年来，动力气象学在气候变化研究中的应用变得越来越重要。
科学家们通过研究大气运动、能量转换和波动等现象，揭示了气候变化的原因和规律。
此外，动力气象学在防灾减灾、水资源管理等领域也发挥着重要作用。
2. 动力气象学的基本概念2.1 大气运动方程组大气运动方程组是描述大气运动的物理方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程组基于质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒等物理定律，为我们提供了研究大气运动的基本工具。
2.2 涡旋运动大气中的涡旋运动是天气系统和气候变化的重要因素。
涡旋运动包括环流、涡度和螺旋度等概念。
了解涡旋运动有助于我们预测天气变化和气候趋势。
2.3 准地转运动准地转运动是指大气中接近地转平衡状态的运动。
在这种状态下，大气运动主要受到地转偏向力和压力梯度力的作用。
准地转运动为我们提供了一个简化的大气运动模型，便于研究和预测天气。
2.4 大气波动大气波动是大气运动中的周期性变化，包括重力波、惯性重力波和Rossby 波等。
这些波动在天气系统和气候变化中起着关键作用，了解它们有助于我们预测天气和气候。
动力气象学 大气中的波动(5.4)--思考题及习题
增长率为 kci = 0.31 f0l / N ，其中， D 为大气厚度， N 为稳定度参数， f0 为 Coriolis
参数， L = ND / f0 为 Rossby 形变半径， l 为切变常数。对典型中纬度大气，可取
D ﾶ10 km ， N ﾶ1.2 ﾶ10-2 s-1 ， f0 ﾶ1.0 ﾶ10-4 s-1 ， l ﾶ 2.5ﾶ10-3s-1 。
波长、垂直风切变、静力稳定度、β 因子的关系方面加以说明。 6. 中纬度斜压不稳定波的结构有何特点？如何理解这一结构特点？ 7. 为什么说中纬度斜压不稳定是中纬度斜压系统发展的主要机制？ 8. 惯性不稳定为什么会发生在副热带高压与阻塞高压北侧？ 9. 惯性频率中科氏参数变化的影响？ 10. 惯性不稳定有何应用？ 11. 正压不稳定所造成扰动的尺度与惯性不稳定所造成扰动的尺度，哪个大？
习题
1. 设基本气流随纬度呈线Fra bibliotek变化，即其中，A 为常值，若不考虑 β 作用，水平无辐散涡度方程线性化后的形式为
式中，y 是扰动流函数。设初始扰动为
试通过求出满足初始条件的解，证明此扰动一定是稳定的。
2. 对于一个绕局地铅直轴作轴对称运动的不可压缩涡旋，其水平运动方程在柱坐标系中 的形式为
其中，Vr = dr / dt 是径向速度，Vq = rdq / dt 是切向速度， r 是距局地铅直轴的距离。
� � �
其中，急流的特征速度和宽度U 和 L 可分别取为 40 m/s 和 570 km，急流中心 ( y = 0)
约在北纬 45 度，此处 b0 ﾶ1.61ﾶ10-11 m-1s-1 。问此带状急流对切变波扰动是否稳定？
动力气象学 大气中的波动(5.3)--习题答案
D ≈ 10km
可得
kmax
1.34 ×10−6 m−1 .
此时的波长 L = 2π 4700km kmax
在北纬 45 度处，纬圈长度为 28000km
则沿北纬 45 度附近纬圈约有：
28000km / 4700km 6 个长波
将U * 代入急流正压不稳定的必要条件中
可得：
dζ
* a
= β * + sec hy*(2 sec h2 y*
− 1)
dy*
= 令 f ( y*) sec hy*(2 sec h2 y* −1)
求得 f ( y*) 的极大和极小值
其中
f ( y* )极大 =2
f
(
y*
)极小
=-
2 3
要使得
dζ
* a
L = ND / f0 为 Rossby 变形半径，λ 为切变常数。对典型中纬度大气，可取 D ≈ 10km ，
N ≈ 1.2 ×10−2 s−1 ， f0 ≈ 1.0 ×10−4 s−1 ， λ ≈ 2.5×10−3 s−1 。
（1） 试依据此估算中纬度大气最大斜压不稳定增长率，以及扰动 e 指数倍增长所需 时间（e 折倍时间尺度）。
北纬 45 度，此处 β0 ≈ 1.61×10−11m−1s−1 。问此带状波扰动是否稳定？
解：由题可知，判断正压不稳定的条件为：
β-
∂2u ∂y 2
|y= yc
=
yc∈( y1 , y2 )
0
其中 y1, y2 之间为急流的宽度，若在 y1, y2 之间存在一点 yc ，使得判断条件
为零，则有可能出现扰动不稳定。
解：设= ∇2ψ B cos k(x −Ut)
动力气象学习题集1.docx
(1)间隔一个单位的等压面和等比容面相交割成的管子
(2)大气的斜压性
16.
环流和涡度都是描述流体涡旋运动的物理量，前者是对流体涡旋运动的(1)度量，后者是 对流体涡旋运动的(2)度量。
【知识点】：6. 1—6.3
【参考分】：4
【难易度】：I)
【答案】：
(1)宏观
(2)微观
17.
相对涡度在自然坐标系中的表达式是(1)。
【知识点】7.4
【参考分】2
【难易度】D
【答案】：V
三、名词解释
35.
薄层近似
【知识点】：2.5
【参考分】5
【难易度】：B
【知识点】：6.3
【参考分】：2
【难易度】:B
【答案】：
(1)匚=18.
大气中的四种基本能量形式是(1)、⑵、(3)和⑷。
【知识点】：7.1
【参考分】：8
【难易度】：D
【答案】：
(1)内能
(2)位能
(3)动能
(4)潜热能
二、判断题
19.
局地直角坐标系中兀、y、z轴的方向在空间中是固定不变的。()
【知识点】2.6
【知识点】：5.3
【参考分】：4
【难易度】：D
【答案】：
(2)①
J0
12-
700百帕地转风为东风4rn-5_，,500百帕地转风为西风8加・厂| ,则700-500百帕之间 的热成风为⑴风(2)m • s"o
【知识点】：5.3
【参考分】：4
【难易度】：0
【答案】：
⑴西
(2) 1213.
地转风向随高度增加逆吋针转动，与此相伴随的温度平流为(1),地转风向随高度增加顺 时针转动，与此相伴随的温度平流为(2)。
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第六章 大气能量
思考题：
1、利用能量描述大气环流的运动时，通常采用四种能量形式。各种能量形态之间是如何转换 的，其转换与哪些动力学过程有关？ 2、 为什么说大气是一部效率很低的热机？ 3、实际大气中常见“暖空气上升，冷空气下沉”的运动，请讨论这种大气运动对于不同形 式能量的转换有何作用？ 4、大气环流在全球能量平衡中有何作用？
习题：
1、如果满足静力平衡，证明以地面为底（气压为 p0 ），高为 h（气压为 ph ）的
单位截面气柱，其位能 F* ，内能 I * ，全位能 P* 及动能 K * 之间满足以下关系
F*
=Leabharlann -hph+
R cv
I*
P*
=
-hph
+
cp cv
I*
K*
=
1 2
ep ev
� � �eevp
-1� �Ma2I * �
2、假定对流层中温度随高度呈线性减少（ T = T0 - g z ），平流层中温度随高度
不变，大气满足静力平衡，试求单位截面整个气柱内能和位能。 3、如下图所示，温度不同的两个气团被垂直隔板隔开，两个气团各有均一的温 度，温度分布左冷右暖，初始两气团相对地球静止。
隔板
z
L
N
x （i）试分析抽掉隔板后，在旋转地球上此流体随后的运动情况； （ii）何为有效位能？分析题（i）中系统的有效位能能否全部转换为系统动能？