动力气象学复习思考题与习题解题
动力气象学 引论(1.2)--思考题、习题
w ￬ T 1 q& q gd -g
11. 估计在大尺度运动系统中等压面和等q 面坡度的量级。 12. 取 L = 102 m, D = 103 m, U = 102 m / s, W = 10m / s, t = 10s, p￬= 10hPa ， 估 计 典
型的龙卷运动的运动方程中各项的数量级，并说明此种情况下，静力平衡能否成立？
7. 由质量守恒推导 P 坐标系的连续方程。 8. 一艘船以 10 km/h 的速度向正北行驶，地面气压以 5 hPa/km 的变率向西北方向增加，
若船上的气压以 100 hPa/3 h 的变率减小，问附近岛上气象站的气压倾向是多少？ 9. 证明 P 坐标系中水平运动方程可改写为以下通量形式：
￬￬￬� � �￬￬ut
+
￬u 2 ￬x
+
￬uv ￬y
� � �p +
￬uw ￬p
-
fv
=
-
�￬f � �￬x
� � �p
￬￬￬￬� � �￬￬vt
+
￬uv ￬x
+
￬v2 ￬y
� � �p +
￬vw ￬p
+
ห้องสมุดไป่ตู้
fu
=
-
�￬f � �￬y
� � �p
10. 若运动是非绝热的，证明q 坐标系中的铅直速度q& 与 Z 坐标中铅直速度 w 的关系为：
么？ 7. 中纬度大尺度大气运动有哪些基本特征？ 8. 试讨论 Kibel 数、Rossby 数和 Ekman 数意义？
习题
1. 计算以下单位质量气块的地心引力： a) 赤道海平面上和北极海平面上； b) 赤道上空，海平面以上 10、100、1000 km 处。
动力气象-复习题20
动力气象学习题集一、名词解释1.地转平衡：2.f平面近似：3.地转偏差：4.尺度分析法：5.梯度风：6.地转风：7.正压大气：8.斜压大气：9.大气行星边界层：10.旋转减弱：11.埃克曼抽吸：12.波包迹：13.环流：14.环流定理：15.埃克曼螺线：16.梯度风高度：17.非频散波：18.微扰法（小扰动法）：19.声波：20.重力外波：21.Boussinesq近似：22.正压不稳定：23.斜压不稳定：二、判断题1.中纬度地转运动准水平的原因之一是重力场的作用使大气质量向靠近地球固定边界一薄层中堆积，从而制约了铅直气压梯度，限制了大气运动的铅直尺度。
2.等压面图上，闭合高值等高线区域，等压面是下凹的，在闭合低值等高线区域，等压面是上凸的。
3.小尺度运动不满足静力平衡条件，但仍然可以用p坐标系运动方程组描述他们的运动规律。
4.压高公式说明，气层厚度正比于平均温度，气压随高度按指数单调递减，且平均温度愈低，气压随高度递减愈慢，反之亦然。
5.如果运动是绝热、无摩擦和定常运动，且周围无水汽交换，那么单位质量湿空气的显热能、位能、动能、潜热能之和守恒。
6.有效位能是动能唯一的“源”，但不是唯一的“汇”。
7.风随高度分布的对数定律是指在不稳定条件下，近地面层的风速分布特征。
8.不规则湍涡运动会引起动量和其它物理量的输送，它的最小单位是分子。
9.动力气象学是流体力学的一个分支。
10.物理量的空间分布称为物理量场。
11.气压梯度力反比于气压梯度。
12.速度散度代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。
13.笛卡尔坐标系中的三个基本方向在空间中是固定的，球坐标系中的三个基本方向随空间点是变化的。
14.大气运动被分成大、中、小尺度是按照时间尺度划分的。
15.当f处于系数地位不被微商时，取f=f0；当f处于对y求微商地位时，取d f/d y=常数，此种处理方法称为β平面近似。
16.连续方程一级简化后，说明整层大气是水平无辐散的。
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。
动力气象学第三章习题ALL01
动力气象学第三章课后题答案1. 什么是运动的尺度?什么是尺度分析方法？大气任何一类运动系统中，表征大气运动状态和热力状态的各物理场变量，其空间分布是不均匀的，也存在时间变化，这种时空变化都存在一定的范围。
为此可以用各物理场变量具有代表意义的量值来表示该系统的基本特征，称之为物理场变量的特征值，这也就是物理场变量的尺度。
物理场变量的尺度，只是从量级大小这个意义上来表征系统物理属性特征的。
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，结合物理上的考虑，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。
2. 为什么常根据运动的水平尺度对大气运动进行分类？基于以下三方面的原因常根据运动的水平尺度对大气运动进行分类：（1）地球大气垂直厚度远小于水平长度；（2）具有气象意义的运动系统的场变量的在水平方向上的变动尺度差别很大，可达几个数量级，并且大气运动的特征与水平尺度有密切关系；（3）大气某些变量在垂直方向的尺度依赖于变量的水平尺度，比如速度的垂直尺度。
3. 根据尺度分析的结果，说明中纬度大尺度运动有哪些基本特征？ 中纬度大尺度运动的基本特征有：（1） 在水平方向上，气压梯度力与科氏力基本是相平衡的，即运动的准地转性。
（2） 在垂直方向上，满足静力平衡近似。
（3） 运动准水平无辐散。
（4） 温度的局地变化主要是由温度平流和铅直运动决定的。
（5） 运动系统是缓慢变化的。
4. 如何将运动方程组进行无量纲化？利用尺度分析中物理量的特征尺度，引进无量纲变量，将运动学方程组进行无量纲化。
5. 地转近似的充分条件是什么？试从物理上对这些条件给予说明。
根据水平运动方程的无量纲化方程（3.54）可知，地转近似的充分条件如下，01,1,1iR R ε1,1,1iR R ε它表明准地转平衡运动应是缓慢变化的大尺度运动，同时大气层结应是高度稳定的。
动力气象-复习题周顺武剖析
动力气象学习题集一、名词解释1.地转平衡：对于中纬度大尺度运动，水平气压梯度力和水平科氏力（地转偏向力）接近平衡，这时的空气作水平直线运动，称为地转平衡。
2.f平面近似：又称为f参数常数近似。
在中高纬地区，对于大尺度运动，y/a<<1，则f=f0=2Ωsinϕ0=const。
3.地转偏差：实际风与地转风之差。
4.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。
5.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，此时空气微团运动称为梯度风。
6.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，这时空气微团作直线运动，称为地转风。
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.大气行星边界层：接近地球表面的厚度约为1－1.5km的一层大气称为大气行星边界层。
边界层大气直接受到下垫面的热力作用和动力作用，具有强烈的湍流运动特征和不同于自由大气的运动规律。
10.旋转减弱：在旋转大气中，由埃克曼层摩擦辐合强迫造成的二级环流大大加强了行星边界层与自由大气之间的动量交换，使得自由大气中的涡旋系统强度快速减弱，这种现象称为旋转减弱。
11.埃克曼抽吸：由于湍流摩擦作用，埃克曼层中风有指向低压一侧的分量，在低压上空产生辐合上升运动，同理在高压上空产生辐散下沉运动，这种上升下沉运动在边界层顶达到最强，这种现象称为称为埃克曼抽吸。
12.波包迹：在实际大气中，一个瞬变扰动可以看成是由许多不同振幅、不同频率的简谐波叠加而成的，这种合成波称为波群或波包。
动力气象作业复习题
动力气象作业复习题(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--尺度分析作业1、何为Ro 数大尺度大气运动的Ro 数为多大大尺度大气运动的主要特征是什么罗斯贝数的大小反映了科氏力的相对重要性 中纬度大尺度大气运动主要特征是准水平，准地转平衡，准静力平衡，准水平无辐散，准定常的涡旋运动。
2、正压大气和斜压大气概念密度的空间分布只依赖于气压，即ρ=ρ(p)，这种大气状态称作正压大气。
正压大气中等压面、等密度面和等温面重合在一起。
密度的空间分布不仅依赖于气压而且依赖于温度，即ρ=ρ(p,T)，这种状态称作斜压大气。
斜压大气中等压面与等密度面、等温面是交割的 3、地转风概念定义：空气块直线运动，在水平气压梯度力和水平地转偏向力平衡的作用下，风沿等压线或等位势线吹，北半球背风而立，气压高的在右。
4、下面地面系统，高层有哪几种可能配置图一：（1）正压状态下，高空为低压中心，由于动力作用引起的，（2）斜压状态下，高空为高压中心，由于热力作用引起的，图二：（1）正压状态下，高空为高压中心，由于动力作用引起的， （2）斜压状态下，高空为低压中心，由于热力作用引起的，5、何为斜压大气请说明在天气图上如何分别根据温度场和风场结构判断斜压大气性的强弱密度的空间分布不仅依赖于气压而且依赖于温度，即ρ=ρ(p,T)，这种状态称作斜压大气。
斜压大气中等压面与等密度面、等温面是交割的。
等温线越密，等温面与等压面夹角越大，斜压性越强；风速越大，风向与等压面夹角越大，斜压性越强。
6、何为热成风？请详细说明热成风是由于大气的斜压性所引起，并由此说明大气大尺度动力系统与热力系统在天气图上的主要表现特征，并举出实例。
热成风定义为铅直方向上两等压面上地转风的矢量差。
热成风沿气层的等厚度线（等平均温度线）吹，背风而立，厚度（平均温度）高的在右。
热成风与大气的斜压性相联系，与热力作用相关。
动力气象学第二章习题答案
动力气象学第二章习题答案动力气象学第二章习题答案动力气象学是研究大气运动的科学，它探讨了大气中的力学过程和气象现象之间的相互关系。
在学习动力气象学的过程中，习题是检验我们对知识理解和应用的重要方式。
下面是对动力气象学第二章习题的详细解答。
问题1：什么是大气的垂直平衡？答：大气的垂直平衡是指在垂直方向上，大气中的各种力量之间达到平衡状态。
这种平衡是由重力、压强梯度力、离心力和科里奥利力等因素共同作用所形成的。
当这些力量之间的平衡达到一定状态时，大气就呈现出稳定或不稳定的状态。
问题2：什么是静力平衡？答：静力平衡是指在水平方向上，大气中的压强梯度力与离心力之间达到平衡状态。
在静力平衡下，气体分子受到重力的作用而向下运动，同时受到压强梯度力的作用而向上运动，最终形成一个平衡状态。
问题3：为什么大气的垂直平衡是稳定的？答：大气的垂直平衡是稳定的，因为当大气中出现扰动时，系统会自动调整以恢复平衡状态。
例如，当大气中某一区域的压强较高时，周围的气体会受到压强梯度力的作用而向该区域流动，从而减小压强差。
这种调整过程会持续进行，直到压强差减小到一定程度，大气再次达到平衡状态。
问题4：什么是大气的不稳定？答：大气的不稳定是指当大气中出现扰动时，系统无法自动调整以恢复平衡状态。
在不稳定的情况下，扰动会导致气体产生剧烈的运动，从而形成对流现象和气象灾害。
例如，当大气中某一区域的温度较高时，周围的气体会受到浮力的作用而向上升腾，形成对流运动。
问题5：什么是绝热过程？答：绝热过程是指在没有热量交换的情况下，气体的温度和压强发生变化。
在绝热过程中，气体的内部能量发生改变，但没有热量的输入或输出。
绝热过程可以用来描述大气中的垂直运动和气象现象，例如对流运动和气旋的形成。
问题6：什么是绝热抬升？答：绝热抬升是指当气体上升时，由于没有热量的输入或输出，气体的温度和压强发生变化。
在绝热抬升过程中，气体上升时受到外界压强的减小而膨胀，从而导致温度的降低。
《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。
动力气象学 线性动力稳定性理论(6.4)--思考题、习题
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？
《新编动力气象学》(下)(典型题分析)
（其中 α > 0 ） ，结果又如何？
7 一气团过山，山前其气压为 p1 ，温度为 T1 ，比湿为 q1 ；山后气压为 p2 ，温度为 T2 ，比湿为 q2 。 试指出用什么原则判别它为同一气团，并写出计算公式。 8 简述形成大气环流气候风带的几种基本因子。 9 试计算单位截面积的大气全位能。已知大气具有绝热直减率，并且地面气压 p = 105 帕，温度
v=
∂ψ ∂ 2ψ ∂ψ = 0， =− = 0 。试求整个通道内的动能平衡方程。 ∂x ∂t ∂x∂y
思考题十一
（一）名词解释 1 相速度 2 小振幅波 3 有限振幅波 4 纵波 5 横波 6 重力外波 7 表面波 8 浅水波 9 深水波 10 重力内波 11 惯性－重力外波或斯维尔德鲁普（Swerdrup）波或庞加莱（Poincare）波 12 长波 或行星波 13 背风波 14 超长波 15 水平无辐散的罗斯贝波 16 有水平辐散的罗斯贝波 17 层结罗 斯贝波 18 正压罗斯贝波 19 斜压罗斯贝波 20 惯性－水平声波或兰姆（Lamb）波 21 超声波 22 次声波 23 垂直声波 24 定常波 25 波长 26 波数 27 波导 28 驻波或静止波 29 孤立波 30 线性波 31 非线性波 32 平面波 33 球面波 34 气旋波 35 锋面波 36 包辛内斯克 （Boussinesg） 近似 37 非 （滞）弹性近似 38 布伦特－维萨拉（Brunt-Vaisala ）频率 39 波状云 40 准地转位涡 41 伯格 （Burger）近似 42 气象“噪音” 43 单波 44 群波 45 群速度 46 波的频散 47 频散波 48 频散 介质 49 载波 50 波包 51 上、下游效应 52 波能 53 波能通量矢量 54 波能密度 55 波能通量密 度矢量 56 波作用量 57 E－P （Eliassen-Palm） 通量 58 平流层爆发性增温 （SSW） 59 叶笃正 （Yeh） 长波 60 K－H 波 61 压缩波 62 浅水模式
《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
(完整版)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 ⨯Ω-。
32V ⨯Ω-始终与Ω 和3V 相垂直，而Ω 与赤道平面垂直，所以32V ⨯Ω-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 U D N z V N z V zg ≡∂∂=∂∂∂∂222222~ln θ，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。
动力气象学 引论(1.3)--习题答案
各项的量级：
∂w
W
～
～100 m /
s2
∂t τ
u
∂w
+ v ∂w
UW
～
δp
在 p 坐标中，有
=
−ρ g ，故上式可写为：
δz
dd m =d − 1 d d ( xdy p) dt g dt
= − 1 [d x yd d (d pd ) + yd d p dd ( x) d +d x p d ( y)]
g
dt
dt
dt
= − 1 [dxddy ω + dydpdud + dx dp v] g
垂直运动方程中，典型的龙卷的平流加速度与重力、气压梯度力量级相同，因此，静力 平衡不成立。
)2
=
V02 f2
7. 由质量守恒推导 P 坐标系的连续方程。
解：设一空气微团质量为 δ m ，体积为δV = δ xδ yδ z ，则= δ m ρ= δV ρδ xδ yδ z ，由质
量守恒定律= 可得： 1 d (d m) = 1 d (ρdxddy z) 0 ，
d m dt
ρdV dt
即 1 d ρ + 1 dd x + 1d d y +d 1 d z = 0 ρ dt d x dt dy d dt z dt
−Ω2 R = − cosjΩ2Rk + sinjΩ2Rj
故
= d a Vd a
动力气象学第4章环流定理、涡度方程和散度方程
的正方形 ABCD 边界的逆时针环流位多大？ABCD 中平均相对涡度是为多大？沿边界位 1000km 的任意正方向边界 A ' B ' C ' D ' 的逆时针环流又是多大？ 解：沿正方形 ABCD 的边 BC 的风速为 u BC ，由题中条件知 DA
10 100 ( u BC 20 ) m / s 500 由于沿 CD、 AB 的切向速度为零， 所以围绕正方形 ABCD 的先对环 流为
57
常值）对局地铅直轴的绝对角动量守恒。
图 4.2 解：绕地轴和局地轴绝对角动量为 M r cos ( u r cos ), M r ( v 1 fr ) 2 正压大气中，绝对环流守恒，即 C 2A 常数。 （1）西风环流 u 常数 , v 0 , w 0 则C
y N y ( z N z ( x N x (
所以
p p ) z z y p p ) x x z p p ) y y x
（2）若大气满足静力平衡条件 p g z 又满足准地转关系， 1 p f V g k 0
L
N d
N 3 ( 3 p ) 3 3 p
定义为力管（或斜压）矢量。试 （1）写出 N 在 i 、 j 、 k 方向的分量 N x 、 N y 、 N z ； （2）证明，若大气满足静力平衡和地转风条件，则有
u g N x N i f z v g N y N j f z f f 2 V g (V g )k N z N k V g 2T T g z 解： （1）由 N 3 3 p ( i j k ) ( p i p j p k ) x y z x y z
动力气象学习题集1.docx
【难易度】：D
【答案】：
（1）牛顿第二定律
（2）质量守恒定律
（3）热力学能量守恒定律
（4）气体实验定律
3.
在旋转地球上，一个运动着的空气微团所受的基本作用力（1）、（2）、（3）和（4）。
【知识点】：2.2
【参考分】：8
【难易度】：D
【答案】:
(1)气压梯度力
(2)科里奥利力
(3)惯性离心力
37.
卩平面近似
【知识点】：3.3
【参考分】5
【难易度】:B
【答案】：
1.当/处于系数地位不被微商时，取/二办；
2.当/处于对求微商地位时，収$7〃）=0 =常数。
采用0平面近似后，用局地直角坐标系讨论大尺度运动将是方便的。虽然由于球面效应引起 的曲率项被忽略了，但球面效应引起的/随纬度的变化对大尺度运动的作用却部分保留下来To
四、问答题
46.
何谓卩平面近似？収卩平面近似有何意义？
【知识点】：3.3
【参考分】10
【难易度】：B
【答案】：
0平面近似的主要内容是：
1.当/处于系数地位不被微商吋，取于二办；
2.当/处于对y求微商地位时，取df/dy= （3=常数。
采用0平面近似后，用局地直角坐标系讨论大尺度运动将是方便的。虽然由于球面效应引起 的曲率项被忽略了，但球血效应引起的/随纬度的变化对大尺度运动的作用却部分保留下来 了。
【知识点】6.6
【参考分】2
【难易度】A
【答案】：X
32.
大气运动不可能在严格的地转平衡和静力平衡条件下进行。（）
【知识点】7.2
【参考分】2
【难易度】C
【答案】：V
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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复习思考题
1.支配大气运动状态和热力状态的基本物理定律有哪些？大气运动方程组一般有几个方程组 成？哪些是预报方程？哪些是诊断方程？ 答：基本物理定律是牛顿运动定律、质量守恒定律、热力学能量守恒定律、气体实验定律； 大气运动方程组一般有六个方程组成（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坐标系？旋转参考系与惯性参考系中的运动方程有 什么不同？ 答：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.地球旋转对大气运动有哪些动力作用？ 答：产生惯性离心力，相对于地球有运动的大气还受科里奥利力作用。 4.科里奥利力是怎样产生的？他与速度的关系如何？南北半球有何区别？它在赤道、极地的方 向如何？ 答：由于地球旋转及空气微团相对于地球有运动时产生；
14.位势高度的量纲是什么？因位势米与几何米在数值上差不多，能否写成1gpm 1m ？
答：位势高度的量纲是 L2T 2 ；位势高度的本质是重力位势，而不是高度。
15.何谓薄层近似？去薄层近似简化球坐标系中运动方程组应注意什么问题？
答.在球坐标的运动方程中，当 r 处于系数地位时用 a 代替，当 r 处于微商地位时用r z 代
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。
替是相当精确的，这一近似被郭晓岚称为薄层近似。 使用时要不违背绝对角动量守恒原理。不违背机械能守恒原理。 16.在什么情况下，基本方程中可以不考虑地球曲率的影响？ 答：在中低纬度局部地区的大气运动中，运动方程中的所有曲率项都可以略去。
17.什么是局地直角坐标系？该坐标系是如何考虑地球旋转的？去掉方程中 f 2 cos 是
18.在局地直角坐标系中是如何处理 f 2 sin 的？这种处理是否合理？
答：在中小尺度系统中取 f f0 ，其中 f0 2 sin 0 ；
2
在大尺度系统中取 f f0 y ，即 平面近似。
19.常用的热力学能学方程有哪些形式？
答：（1）用气温、比容表述
cv
dT dt
p d dt
Q
答：重力 g 的方向垂直于等重力位势面，且由高重力位势指向低重力位势；与等高面不垂直
海平面为等重力位势面，重力与海平面垂直。 11.如何认识不考虑重力在水平面上的分量？
1
答：因地心引力与重力的夹角非常小（不到 0心。
12.物理上什么样的力是位势力（或保守力）？位势力有哪些主要的性质？ 答：保守力：在物理系统里，假若一个粒子，从起始点移动到终结点，由于受到作用力， 所做的功，不因为路径的不同而改变。则称此力为保守力。假若一个物理系统里，所有的 作用力都是保守力，则称此系统为保守系统。 由于保守力所做的功与运动物体所经过的路径无关,因此，如果物体沿闭合路径绕行一 周，则保守力对物体所做的功恒为 0 。因为保守力的功具有这样的特点，所以在只有 保守力作用在物体上的情况下可以定义势能(位能)。 13.重力位势与重力位能这两个概念有何差异？引进重力位势这个概念有何好处？
7.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。
8.为什么把地球引力与惯性离心力合并为重力？
答：地球引力
g
仅与空气微团的位置有关，而惯性离心力
2
R
也只与空气微团的位置有关，
从逻辑上很自然将这两力合并在一起。地球引力与惯性离心力的矢量和称作重力。 9.为什么地球不可能是一个绝对球体？ 答：惯性离心力可分解为两个相互垂直的分力。一个分立部分抵消了地球引力，一个分立与 地表面相切指向赤道。后一个分立促使物体向赤道方向运动。在这个分立的长久作用下，便 在一定程度上决定了地球球壳的形状，使地球在赤道处隆起，地球成为扁平的椭球体。 10.重力的方向如何？与等高面是否垂直？海平面上的重力如何？
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？
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？
答：处在旋转坐标系中产生的；若没有地球旋转，此力不存在。
6.曲率项力怎样产生的？如果没有地球自转，此力存在不存在？
答：由于地球的球面性引起的；若没有地球旋转，此力不存在。
答：速度散度 3 V3 代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。
因 3 V3
lim 1 0
d ( ) dt
否合理？局地直角坐标系与球坐标系有何联系与区别？ 答：坐标系的原点取在所指定地点的海平面上，X 轴原点指向东，Y 轴指向正北，而 Z 轴 向天顶，由一点移到另一点时，这样坐标系的坐标轴将发生变化。
把球面视为平面，而且认为水平面绕铅直轴以角速度 f / 2 sin 旋转；
合理，略取后仍然符合科里奥利力和曲率项力都不做功的原则。 局地直角坐标系实际上是球坐标系的简化形式，它保持了球坐标系的标架，但忽略了球面曲 率的影响。