《动力气象学》课程辅导资料

知识点归纳总结

第一章 绪论

1. 研究地球大气运动时的基本假设

连续介质假设：研究大气的宏观运动时，不考虑离散分子的结构，把大气视为连续流体。从而，表征大气运动状态和热力状态的各种物理量，例如大气运动的速度、气压、密度和温度等可认为是空间和时间的连续函数，并且经常假设这些场变量的各阶微商也是空间和事件的连续函数。是研究大气运动的基本出发点。 理想气体假设：气压、密度、温度之间的关系满足理想气体状态方程。 2. 地球大气的运动学和热力学特性有哪些？

大气是重力场中的旋转流体：大气运动一定是准水平的；静力平衡是大气运动的重要性质之一。

科里奥利力的作用：大尺度运动中科里奥利力作用很重要；中纬度大尺度运动中，科里奥利力与水平气压梯度力基本上相平衡——地转平衡；地球旋转角速度随纬度的变化，与每日天气图上的西风带中的波动有关；起稳定性作用——位能、动能的转换——锋面。

大气是层结流体：大气的密度随高度是改变的——层结稳定度；不稳定层结大气中积云对流；稳定层结大气中重力内波。

大气中含有水份：相变潜热——低纬度扰动和台风的发展。 大气的下边界是不均匀的：湍流性；海陆分布和大气环流。 3. 大气运动的多尺度性

大气运动无论在时间尺度还是在水平尺度上都具有很宽的尺度谱，不同尺度系统在性质上有很大差异，对天气的影响也不同，不同尺度运动系统之间还存在相互作用。而根据流体力学和热力学原理建立起来的大气运动方程组，表征了大气运动普遍规律，从物理上讲，它几乎描述了各种尺度运动和它们之间的相互作用，方程组是高度非线性的，难以求解。

因此，在动力气象中，常对各种运动系统进行尺度分类，利用尺度分析法分析各类运动系统的一般性质，建立各类运动系统的物理模型（第三章）。

第二章 描写大气运动的基本方程组

1. 作用于大气的力，哪些是真实力，哪些是视示力？

真实力：气压梯度力、地球引力、摩擦力，既改变气流的运动方向，也改变速度的大小

视示力：科里奥利力、惯性离心力，只改变气流的运动方向，不改变速度的大小 2. 描述大气运动的基本方程组和各自遵守的物理原理 牛顿第二定律——运动方程 质量守恒定律——连续方程 理想气体实验定律——状态方程 能量守恒定律——热力学能量方程 水气质量守恒——水汽质量守恒方程 3. 分析流体运动的两种基本方法

拉格朗日方法：着眼于微团，研究其空间位置及其他物理属性随时间变化的规律，推广到整个流体运动。

欧拉方法：着眼于空间点，研究不同流体微团流经固定点时的运动状态及物理属性的变化规律，从而掌握流场中各物理量的空间分布及变化规律。 4. 旋转坐标系

旋转坐标系：原点位于地球中心，坐标轴固定在地球上的坐标系。 5. 理解局地直角坐标系

三个基本方向与球坐标系相同，但不考虑单位矢量的空间变化。是球坐标系的一种简化，保持了球坐标系的标架但忽略了球面曲率的影响；同时具有笛卡尔坐标系和球坐标系的特点。

6. 全导数和局地导数的关系，全局导数、局地导数和平流变化的物理意义 个别变化等于局地变化加平流变化。 7. 速度散度的物理意义

它代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。当物质体积元在运动中体积增大时，因质量守恒其密度要减小；运动中体积减小时，其密度要增大。 【例题解析】

（1）连续方程表明，当空气块在运动中体积减小时，因质量守恒其密度（ ）。

A．减小 B．先增大后减小 C．增大 D．先减小后增大 答案：C

解析：题目考查对连续方程的认识。连续方程时质量守恒定律在大气运动中的表现，空气块在运动过程中质量守恒，那么其体积减小必然伴随着密度增大。

第三章 尺度分析与基本方程组的简化 1. 什么是尺度分析法？为什么要做尺度分析？

尺度分析法：尺度分析法是依据表征某类运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想，简化方程，分析运动系统的某些基本性质。

大气中存在不同尺度的运动，它们满足同一基本方程组但有不同的运动特点，研究某一特定尺度运动时，只有抓住决定尺度运动性质的主要因子，忽略次要因子，才能把握运动的主要性质，便于数学处理。使得结论简单，物理意义清楚。 2. 大气运动的尺度分类

水平尺度为106、105、104米的运动过程分别为大尺度、中尺度、小尺度运动，大尺度又称为天气尺度。比如，温带气旋，温带反气旋属于天气尺度运动；飑线，锋面属于中尺度运动；龙卷属于小尺度运动。

水平尺度与地球半径相当的长波，如副热带反气旋、赤道辐合带等属于行星尺度运动。

3. 零级近似和一级近似

➢ 所谓零级简化，通过比较方程中各项的数量级，只保留方程中数量级最大的

各项，而其他各项都略去。

➢ 所谓一级简化，通过比较方程中各项的数量级，除保留方程中数量级最大的

各项外，还保留比最大项小一个量级的各项，而将更小的各项略去。

4. 常用的无量纲参数

罗斯贝数：描述运动的水平尺度的参数。

基别尔数：描述运动过程是慢过程还是快过程的无量纲参数。 理查森数：与大气层结稳定度和风铅直切变有关的动力学参数。

无量纲厚度参数：垂直尺度和水平尺度之比，用以判断深厚系统和浅薄系统。 5. 如何对方程进行无量纲化

对方程中的，依据各特征尺度引入无量纲变量，带入大气基本方程组，得到无量纲形式的方程，由于无量纲变量和其导数的量级为1，通过比较无量纲方程中各项前面的系数的量级，就可决定原方程中各项的相对大小，这为简化方程提供了依据。

6.中纬度大尺度运动的基本特征。

准水平，准地转平衡，准静力平衡，准水平无辐散、缓慢变化的涡旋运动。 7. 平面近似的内容是什么？为什么要采用平面近似？ （1）当f处于系数地位不被微商时，取常数；

（2）当f处于对y求微商地位时，取df / dy = β=常数。

采用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f随纬度的变化对大尺度运动的作用却部分保留下来。

第四章 p坐标，铅直坐标变换 1. 等压面分析的必要性

利用z坐标系分析大气运动时，需进行等高面分析，而气象业务中广泛采用的是等压面分析的方法。为适应等压面分析，建立一个以物理变量气压p代替铅直坐标z的坐标系是必要的。

日常天气预报业务工作常绘制的标准等压面图有850、700、500、300、200、100hPa等。

2. p坐标系是建立在静力平衡的基础之上的。 3. p坐标的主要优缺点是什么？

优点：在这个坐标系中，可以直接用等压面上分析的资料进行计算；其基本方程组中减少了一个因变量，即密度的影响隐含在等压面位势变化之中；连续方程具有较简单的形式；由于引进了静力平衡近似，方程组中已滤去了对天气变化不起什么作用的沿铅直方向传播的声波。

缺点：这个坐标系中，下边界条件很复杂，不能严格给出下边界条件，很难考虑地形的影响。由于小尺度运动不满足静力平衡条件，故不能用p坐标系来描写它们的运动规律。 4. 不同坐标系的转换

FFFp xzxppxz5. θ坐标系

θ坐标系建立的条件是大气层结是稳定的。

θ坐标系对研究绝热运用有其独特的优越性，然而θ坐标系和p坐标系一样，因地表面不是坐标面，很难正确给出下边界条件。

第五章 自由大气中的平衡流场

1. 理解自然坐标系

自然坐标系中三个坐标s、n、z的方向分别用单位矢量t、n、k表示。在空间任一点上，t都与该点水平气流方向一致，n是t的法向量并指向水平气流的左侧，k的方向垂直向上。 2. 流线和迹线

➢ 流线：与水平速度矢量相切的一族有向曲线。

流线方程

dxdy，积分可得流线

u(x,y,t0)v(x,y,t0)➢ 迹线：也称轨迹，是空气微团运动的路径。

dxu(x,y,t)dt迹线方程：dyv(x,y,t)dttt0时,x=x0,yy0，积分可得迹线

➢ 流线和迹线只能相切不能相交。在定常条件下，流线和迹线重合。 3. 自由大气中的平衡流场极其基本型式

气流方向无外力分量的定常水平流场称为平衡流场。平衡流场中等压线即流线，微团的运动是等速率运动。

地转风：水平气压梯度力和科里奥利力相平衡。此时，沿气流反向无外力分量，运动时水平、定常的。

惯性运动：科里奥利力和惯性离心力平衡。

旋衡运动：水平气压梯度力与惯性离心力相平衡的流动。

梯度风：水平气压梯度力、科里奥利力和惯性离心力平衡。最普通一般的平衡流场就是梯度风流场，梯度风高度与湍流系数和地理纬度有关。。 4. 风压定律？

在北半球，高压在运动方向右侧，低压在运动方向左侧；低压伴随有气旋式环流，高压伴随有反气旋式环流。这是正常的风场。 5. 正压大气与斜压大气

正压大气：密度的空间分布只依赖于气压，即ρ = ρ(p)。正压大气中等压面、等密度面和等温面重合在一起。

斜压大气：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)。斜压大气中等压面与等密度面、等温面是交割的。

通常正压大气不会维持很久，但是若大气所进行的过程是干绝热过程，则原有的正压状态可以维持。 6. 地转风与热成风实际意义

斜压大气是地转风随高度改变的充要条件。也就是正压大气中不存在热成风。地转风关系揭示了大尺度运动中风压场关系，而热成风关系揭示了静力平衡大尺度运动中风场、气压场、温度场之间的关系。可用地转风、热成风关系来校对实测风场、气压场、温度场的分析是否协调一致。也可以根据单站探空给出的实测风铅直分布，估计各层中温度平流的性质。可以解释中纬度西风急流。 7. 地转偏差

实际风与地转风的矢量差。

地转偏差虽然很小，但对大气运动的演变起着极其重要的作用。有地转偏差时，空气微团才可能做穿越等压线运动，从而引起质量重新分布，造成气压场和风场的变化。所以地转偏差是天气系统演变的一个动力因子。 8. 垂直速度的计算方法 ➢ 计算垂直速度的重要性：

（1） 上升运动是形成云雨天气的基本条件；

（2） 垂直运动对天气系统的发生发展有重要的指示意义。

➢ 计算垂直速度的必要性：垂直速度不是一个观测量，需要进行诊断计算。 ➢ 计算垂直速度的主要方法：运动学方法和绝热法

运动学方法：利用连续方程由水平风场计算垂直速度。其特点是计算方便简单，但误差较大。

绝热法：利用绝热形式的热力学能量方程，由大气的热力状态来计算垂直速度。其特点是由等压面位势高度资料和温度资料就可计算出垂直速度，温度局地变化率和静力稳定参数的计算精度对结果有很大影响。 9. 平衡方程

平衡方程是诊断方程，在诊断分析和数值预报中常要用到这个方程。

第六章 环流定理与涡度方程 1. 环流和涡度

环流：流场中某一有向闭合物质曲线上的速度切向分量沿该闭合物质曲线的线积分，定义为速度环流，简称环流。

CVdsVcosds

LL气旋式环流、反气旋式环流。

涡度：速度场的旋度定义为涡度，是流体旋转特性的微观度量。

V

沿任意闭合环线上的环流，等于环线所包围面积上涡度法向分量的积分；涡度在

n方向上的分量等于以n为法线方向的单位面积上的环流。

速度环流代表速度场的积分性质，涡度是速度场的微分性质。 2. 涡度和散度

涡度由速度场决定，是流体旋转运动的度量； 散度也由速度场决定，是流体膨胀运动的度量。 无辐散运动可引入流函数来描述：

uy ，或V=k vx无旋运动可引入速度势来描述：

ux，或V= vy3. 速度的分解

一般情况下，水平速度可以分解为无辐散和无旋两部分运动的速度之和，分别称为旋转风和辐散风。 4. 力管的含义

斜压大气中等压面和等比容面是相交的，间隔一个单位的等压面和等比容面相交

割形成的管子，称为单位压容管，简称为力管。

力管存在的充分必要条件是大气的斜压性，而大气斜压性最终可归结为非均匀加热的结果。非均匀加热形成的垂直环流形式，称为直接热力环流，比如哈德莱环流。直接热力环流可用来解释海陆风和山谷风的形成。海陆风由陆地和海洋的热容不同造成，山谷风由山谷和山顶的受热或冷却不同造成。 5. 什么是位势涡度（即位涡）? 这一物理量的意义如何？

➢ 位涡：(f +ζ) / H，是一个标量，它是一个综合表征大气运动状态和热力状态

的物理量，它的重要性在干绝热无摩擦运动中微团的位涡是守恒的。 ➢ 位涡守恒定律揭示了大气热力结构对涡度变化的约束。 ➢ 在绝热无摩擦条件下，位涡是守恒的。

➢ 应用位涡守恒可以解释气流过山形成背风槽。假设山脉东西对称，南北宽度

无限，绝热西风气流均匀，没有水平切变，其宽度也是无限的，在稳定层结中的定常运动气流，气柱上山，H减小，辐散，f不变，则气旋性涡度减小， 反气旋性涡度增大，ζ< 0，则空气将转向南运动；若山脉是对称的，则上山过程的作用被下山的相反作用所抵消，则在背风坡山脚，相对涡度恢复为零。但是，因为气流过山的全过程是反气旋式路径，因此到达山脚时，气流已位于初始纬度的南边，阻力比初始时小，所以相对涡度必须比原来大(即下山时相对涡度增加的幅度>上山时相对涡度减小的幅度)，则在山脚变为正涡度，气流轨迹应为气旋式弯曲，即向北运动。当气流返回到初始纬度时，相对涡度应回复到初始状态，即相对涡度为零。但由于惯性作用(位涡守恒为绝对涡度守恒)，气流将继续向北运动一阻力增大一相对涡度减小一反气旋式弯曲，到达一定纬度，气流又转向南运动等(重复上述过程)。这样，在山脉背风坡形成一系列的槽脊，但由于摩擦作用，只有第一个槽在天气图上最清楚，称为背风槽。

6. z坐标系中的涡度方程及各项含义

dfuvwvwu1ppppf2 dtxyxzyzxyyx➢ 第一项：散度项，水平辐合辐散会引起绝对涡度变化。水平辐合辐散引

起涡管的水平截面积改变，从而引起绝对涡度的变化，这是由涡管强度守恒决定的。水平辐合辐散引起涡度变化的机制，对天气尺度扰动的发展是头等重要的。

➢ 第二项：涡管扭曲项，当有水平涡度存在时，若铅直速度水平不均匀，

就会引起涡度铅直分量变化；

➢ 第三项：力管项，由大气的斜压性造成的，它等于水平面上单位元面积

内的力管数。

➢ 对方程左侧个别变化转化为局地变化和平流项之和，可以得到

Vhhwv(f)Vhtz1ppuwvw2()()zyzx xyyx vvdfdy为地转涡度或牵连涡度的经向平流项。该项的正负取决于经向风的方向，如果吹南风，则有负的地转涡度平流；如果吹北风，则有正的地转涡度平流。

第七章 大气能量学 1. 基本能量形式的组合能量

全位能：内能与位能之和 显热能：内能与压力能

干静力能:显热能、位能和潜热能之和 湿静力能:显热能、位能和潜热能之和 2. 有效位能

大气处于某一状态时，可用于转换为动能的能量只是全位能的一小部分，这部分能量为有效位能。

-大气做绝热运动时，全球大气的有效位能与动能之和不会改变； -有效位能完全决定于初始状态的质量分布；

-等压面、等温面呈水平分布状态且层结稳定时，有效位能等于零。 -大气为斜压状态时，有效位能总是正值。 -有效位能是动能唯一的“源”，而不是唯一的“汇”。 -有效位能是全位能中能够转换为动能的上限值。

-有效位能只有在一个与外界无质量交换的闭合系统，或全球大气这样一个闭合系统中定义才是有理论和实际意义。是一个宏观能量的量度。 -全球能量转换从纬圈平均有效位能开始。 3. 能量转换

穿越等压线的水平运动把全位能转换成动能，或把动能转换为全位能。 4. p坐标系中闭合系统的全位能平衡方程

p坐标系中闭合系统的全位能平衡方程表明，闭合系统中全位能随时间的变化率决定于系统中水平气压梯度力所做的功率和非绝热加热对闭合系统中全位能的贡献。

第八章 大气行星边界层

1. 行星边界层分层及各层的主要特点

➢ 贴地层：分子粘性应力大，湍流粘性应力较小，厚度在2米以内。 ➢ 近地面层：湍流应力不随高度变化，中性层结时风速随高度呈对数分布，厚

约10米。湍流对动量、热量、水汽的铅直输送通量不随高度改变——常值通量层。非中性层结时风随高度呈幂指数分布。

➢ Ekman层：又称上部摩擦层，三力平衡、准定常，风随高度按Ekman 螺线

分布，风有指向低压一侧的风量。 2. 埃克曼抽吸

➢ 在准地转涡旋流场中，由于湍流摩擦效应，会在埃克曼层中造成强迫的垂直

环流，它叠加在准地转水平环流之上，称之为二级环流。因为二级环流是由行星边界层摩擦所驱动的，所以产生此种二级环流的机制称为埃克曼抽吸。 ➢ 埃克曼抽吸的过程：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。埃克曼抽吸效应与一般湍流扩散过程相比，是使地转涡旋衰减的更有效的机制。

➢ 行星边界层的湍流摩擦通过二级环流可直接影响自由大气中的运动，可是准

地转涡旋强度减弱，这种作用称之为旋转衰减作用。 3. 埃克曼螺线

➢ 瑞典海洋物理学V.W.埃克曼于1905年提出了描写边界层内风矢随高度变化

的一种模式分布，按此模式风向随高度增大而向右转（北半球），风速随高度增加而增大，不同高度的风矢末端的连线为一螺线，即为埃克曼螺线。 ➢ 在摩擦层中风随高度的变化，既受摩擦力随高度变化的影响，又受气压梯度

力随高度变化的影响。假若各高度上的气压梯度力都相同，由于摩擦力随高度不断减小，其风速将随高度增高逐渐增大，风向随高度增高不断向右偏转（北半球），到摩擦层顶部风速接近于地转风，风向与等压线相平行。湍流黏性力愈大，风与等压线的交角也愈大。

➢ 在埃克曼层中，实际风矢的铅直分布是很复杂的。一般单次实测的结果和埃

克曼螺线不尽一致，只有多次实测资料的平均结果才和埃克曼螺线的模式相近。 4. 混合长理论

➢ 混合长的基本假设：

（1）和分子一样，湍涡在运动的起始高度上具有该高度上的平均物理属性； （2）在湍流运动中存在一个混合长l，湍流移动一个混合长后不与四周混合，在此以前其具有的物理属性保持不变（守恒）。

➢ 局限性：首先，该理论中假设了湍涡混合过程是一个不连续的过程，而实际

过程并不是这样的，湍涡在运动的过程中将不断和周围空气交换质量，逐渐失去其原有的物理属性，所以混合长理论缺乏可靠的物理基础，混合长是一个难以确定的量应是意料之中的；其次，假定湍涡从起始高度开始移动时携带该高度上的物理属性值，这也是不合理的。

第九章 大气中的基本波动 1. 微扰动法

微扰动法：把瞬时运动视为基本运动叠加微扰动以简化大气动力学方程组，使之成为线性以便于求解析解的方法。其要点是：（1）把场变量分成基本量与叠加在基本量上的扰动量之和；（2）假定基本量及其变化量是已知的，且满足方程组；（3）假定扰动量足够小，在对方程作处理时可以略去扰动量的平方及高次项。 2. 相速度和群速度

相速度：等为位相面沿x方向移动的速度，

xclim x0tkconst群速度：波包迹移动的速度，也就是波群传播的速度

cg3. 布西内斯克近似

kcck kk在运动方程中只保留与重力相耦合的密度扰动项，连续方程中忽略密度扰动项，热力学能量方程中保留密度扰动项影响，这种热力近似称为滞弹性近似，也叫准布西内斯克近似。在此基础上，如果考虑的是浅层运动，连续方程可简化为不可压缩形式，对密度扰动，可只保留膨胀的作用，这种近似称为布西内斯克近似。 采取布西内斯克近似，连续方程简化成不可压缩形式，不再包含产生声波的物理机制，可滤去声波。 4. 大气声波和滤除条件 ➢ 大气声波

（1）“大气可压缩性”是声波的产生机制。

（2）声波的振动，与传播方向一致——典型的纵波。

（3）与天气系统（振荡周期为几天，传播速度10m/s～与风速相当）相比，声波是高频波——如果不滤去，会引起不稳定。 ➢ 声波的滤除条件 （1）大气不可压

（2）水平无辐散&地转近似——去掉水平向的声波

（3）静力平衡——气压取决于气柱重量而不是压缩程度——去掉垂直向的声波 5. 大气重力波和滤除条件 ➢ 大气重力波

（1）重力波是大气在重力作用下产生的一种波动，它的产生和垂直运动联系在一起，要求W不等于零。 （2）分为重力内波、重力外波。

➢ 重力外波：由于重力作用而产生在大气上、下界面的一种波动。c＝ugH 滤波条件：

（1）水平无辐合辐散或准地转近似

（2）没有自由表面（两种情况：充满整个空间，刚性上边界）（若不考虑重力，也可以滤去重力外波，但同时也消去了天气波动。） ➢ 重力内波：由大气的稳定层结和重力的作用而形成。

6. 重力惯性波

➢ 惯性波—惯性振荡：“在科氏力作用下形成的向右（北半球）旋转的惯性振

荡，通过水平辐合辐散的变化，在垂直方向传播，形成惯性波。

➢ 实际上，大气中纯惯性波并不存在。科氏力、重力是同时起作用的。与重力

波一样，也与中尺度天气相联系。

➢ 惯性波与重力波形成混合波，称为重力惯性波：

若发生在自由表面上，则称重力惯性外波； 若发生在层结大气中，则称重力惯性内波。2f➢ 重力惯性外波：c＝gH0k2 气象意义：

（1）是重力外波和惯性波的混合解

由于实际大气中，重力和科氏力都存在，故重力外波与惯性波混合并存。 （2）重力惯性外波：频散波 （3）传播机制：水平辐合辐散

故对应中尺度天气过程，是高频波、快波，对应局地、短时、强烈的天气现象。 滤波方法： （1）水平无辐散 （2）准地转近似

7. 频散波与非频散波，大气中的基本波动哪些是频散波哪些是非频散波？ 相速不仅依赖于介质的物理属性，还依赖于波数，这种波称为频散波，否则为非频散波。 8. 罗斯贝波

对流层中上层气压场或流程常常呈波状形式，在北半球中纬度约有3~5个波，称为大气长波。罗斯贝最先研究了这种波的性质，指出大气长波是由地转参数随纬度变化而造成的，β效应是它得以传播的物理机制，因此大气长波又称为罗斯贝波。

9. 什么叫“噪音”？滤去“噪音”有何必要性？

对大尺度运动图像起干扰作用的高频声波、 重力波， 视为大尺度运动的“噪声”。因为高频声波、重力波不但对大尺度运动作用不大， 而且会给用数值方法积分基本方程组带来困难。

10. 中纬度大气中的基本波动，各自的成因及滤除方法

完整的扰动方程组具有5个解，他们分别代表大气中可能存在的各种自由波动。在中纬度，这5个波解是：受层结、惯性影响稍有改变的涡旋性慢波——罗斯贝

波；受地球选择和层结稳定度、可压缩性影响稍有改变的一对重力波；受层结、惯性影响稍有改变的一对声波。

第十章 地转适应理论 1. 中纬度大尺度运动的特点 准水平、准地转的缓慢运动。 2. 地转适应过程和准地转演变过程

地转平衡遭到破坏后，通过风场与气压场之间的相互调整与相互适应，重新建立起新的地转平衡态的过程称为地转适应过程。准地转平衡态的缓慢变化过程，称为准地转演变过程，或简称演变过程。

是大气中最基本的两种动力过程，是大尺度运动过程的两个阶段。 3. 演变过程和地转适应过程的特点

演变过程是慢过程，而地转适应过程是快过程。

演变过程中，运动具有准涡旋性质，是非线性的。地转适应过程中，以位势运动为主，运动基本是线性的。 4. 地转适应过程的物理机制

正压大气中，重力惯性外波对非地转扰动能量的频散是地转适应过程最基本的物理机制；

斜压大气中，重力惯性内波和外波对非地转扰动能量的频散是地转适应过程最基本的物理机制。除通过整层大气的辐合辐散调节风场和气压场外，还通过铅直运动调节温度场和风场之间的关系，是地转适应得以实现。

考试模拟题

一、单选题

1. 梯度风运动的作用力平衡，是指气压梯度力、科里奥利力和……的平衡________。 A. 惯性离心力力 B. 重力 C. 摩擦力 D. 湍流黏性力

答案：A

2. 全位能是……和内能之和________。 A. 动能 B. 潜热能 C. 位能 D. 显热能

答案：C

3. 正压大气中地转适应过程的基本物理机制是________。 A. 重力惯性外波对初始非地转扰动能量的频散 B. 重力惯性外波的传播

C. 重力惯性内波对初始非地转扰动能量的频散 D. 重力惯性内波的传播

答案：A

4. 行星边界层中，上部摩擦层又被称为________。 A. 贴低层 B. 黏性副层 C. 常通量层 D. 埃克曼层

答案：D

5. 用于描述运动过程是慢过程还是快过程的无量纲参数是________。 A. 罗斯贝数 B. 基别尔数 C. 无量纲厚度参数 D. 理查森数

答案：B

6. ……是流体旋转特征的微观度量，代表速度场的微分性质________。 A. 涡度 B. 环流 C. 散度

D. 力管

答案：A

7 按照水平尺度划分，龙卷风属于________。 A. 天气尺度 B. 行星尺度 C. 中尺度 D. 小尺度

答案：D

8. 下面的波动，是由于可压缩性产生的是________。 A. 重力外波 B. 重力内波 C. 声波 D. 罗斯贝波

答案：C

二、判断题

9. 水平气压梯度力和摩擦力是实力，即改变气流的方向，也改变速度的大小。（ ） 答案：错误

10. 计算铅直速度的时候，可以利用积分连续方程，这种方法称为运动学方法。（ ） 答案：正确

11. 铅直方向不满足静力平衡条件下得到的浅水重力波的相速和静力平衡条件下重力波相

速是相同的。（ ） 答案：正确

12. 无辐散运动指的是纯粹的涡旋运动，即散度为零。（ ） 答案：正确

13. 有效位能是动能唯一的的“源”，但不是唯一的“汇”。（ ） 答案：正确

14. 声波是快波型，所以对天气的影响是微不足道的。（ ） 答案：正确

15. 海陆风是热力环流，白天陆地增温比海洋快，下层空气由陆地吹向海洋。（ ） 答案：错误

16. 埃克曼螺线是理论计算的结果，和实际观测结果有较大差别。（ ） 答案：正确

17. 考虑地球旋转作用后，重力外波性质发生了变化，由非频散变成了频散波。（ ） 答案：正确

18. 埃克曼层中，湍流黏性力愈大，风与等压线的交角也愈大。（ ） 答案：正确

三、综合题

19. 在利用位涡守恒定律揭示背风槽形成时，需做哪些假设？

答案：第一，山脉东西对称，南北宽度无限；第二，绝热西风气流均匀，没有水平切变，其

宽度也是无限的；第三，层结稳定；第四，运动是定常的。 20. 层结稳定大气是否利于湍流发展？

答案：层结稳定大气中，个别湍涡铅直位移时要克服重力做功，消耗湍流运动动能，不利于

湍流发展。

21. 什么情况下流线与轨迹重合？

答案：只有在定常情况下，流线与轨迹才重合。 22. 一级简化方程组与原方程组最大的差异表现在哪里？

答案：一级简化方程组与原方程组最大的差异在于垂直运动方程采用了静力平衡关系，这样

简化了数学处理，它能滤去声波。 23. 过山槽形成的物理原因是什么？

答案：过山槽形成的物理原因是地转参数随纬度的变化。 24. 如何对方程进行无量纲化？

答案：对方程中的，依据各特征尺度引入无量纲变量，带入大气基本方程组，得到无量纲形

式的方程，由于无量纲变量和其导数的量级为1，通过比较无量纲方程中各项前面的系数的量级，就可决定原方程中各项的相对大小，这为简化方程提供了依据。 25. θ坐标的优缺点各是什么？

答案：θ坐标系对研究绝热运用有其独特的优越性，然而θ坐标系和p坐标系一样，因地表

面不是坐标面，很难正确给出下边界条件。 26. p坐标的主要缺点是什么？

答案：缺点：这个坐标系中，下边界条件很复杂，不能严格给出下边界条件，很难考虑地形

的影响。由于小尺度运动不满足静力平衡条件，故不能用p坐标系来描写它们的运动规律。

27. p坐标系中闭合系统的全位能的变化决定于哪些过程？

答案：p坐标系中闭合系统的全位能平衡方程表明，闭合系统中全位能随时间的变化率决定

于系统中水平气压梯度力所做的功率和非绝热加热对闭合系统中全位能的贡献。 28. 什么坐标系是旋转坐标系？

答案：旋转坐标系：原点位于地球中心，坐标轴固定在地球上的坐标系。 29. 斜压大气有何特征？

答案：斜压大气中等压面与等密度面、等温面是交割的。 30. 混合长理论做了哪些假定？

答案：混合长理论假定：第一，和分子一样，湍涡在运动的起始高度上具有该高度上的平均

物理属性；第二，在湍流运动中存在一个混合长，湍涡移动一个混合长后才与四周混合，在此以前其具有的物理属性保持不变。 31. 滤去重力惯性外波最简单的方法是什么?

答案：滤去重力惯性外波最简单的方法是取齐次边界条件，即设p=p0时，ω=0。因为这一

条件相当于假设p0等压面不被扰动，从而了产生重力惯性外波的外部条件，故可滤去重力惯性外波。

32. 局地直角坐标使用广泛的原因是什么？

答案：局地直角坐标系既有笛卡尔坐标系的特点，又有球坐标系的特点。 33. 非中性层结条件下近地面层中风随高度如何变化？

答案：湍流既受动力因素又受到热力因素的影响，如果考虑温度层结作用时，近地面层风随

高度分布呈幂指数定律。 34. 地转运动必须满足哪些条件？

答案：地转运动必须满足以下条件：1.气流方向无外力分量；2.运动是水平的、定常的；3.

水平气压梯度力与科里奥利力严格相平衡。 35. 如何用罗斯贝数判断各力的大小？

答案：若罗斯贝数远远小于1，水平惯性力量级小，水平气压梯度力和科氏力量级相同；如

果罗斯贝数接近1，水平气压梯度力、惯性力和科氏力量级相同；若远远大于1，水平惯性力与气压梯度力量级相同，科氏力量级小。

39. 铅直速度的计算常用的方法有哪几个？

答案：铅直速度的计算常用的方法有积分连续方程和利用热力学能量方程计算。 37. θ坐标系建立的条件是什么？

答案：θ坐标系建立的条件是大气层结是稳定的。 38. 滤去噪声有何必要性？

答案：为了防止所研究的特定尺度运动的图像被噪声干扰，也为了便于数学处理，有必要在

未积分基本方程组前，通过某种途径把噪声从基本方程组的解中排除掉，只包含有用的信息。 四 简答题

39. 微扰动法的基本思想是什么？

答案：微扰动法是将非线性方程进行线性化的一种有效方法，其基本思想是：

（1）把表征大气状态的任一场变量f看成是由一致的基本场变量和叠加在其上的扰动量f'组成的，即设： 基本方程和边界条件；

（3）假设扰动量f'是充分小的，扰动量和其该变量都是小量，其二次以上乘积项可以略去不计。

40. 无量纲厚度参数如何定义？

答案：无量纲厚度参数代表垂直尺度和水平尺度的比值。 41. 定义个别空气微团或某个气层的有效位能为何没有意义？

答案：有效位能只有在一个与外界无质量交换的闭合系统，或全球大气这样一个闭合系统中

定义才是有理论和实际意义。是一个宏观能量的量度。 42. 平衡方程有何意义？

答案：平衡方程是诊断方程，在诊断分析和数值预报中常要用到这个方程。 43. 梯度风高度与哪些因子有关？

答案：梯度风高度与湍流系数和地理纬度有关。

44. 绝热无摩擦条件下，全球大气有效位能和哪些能量之和守恒？ 答案：绝热无摩擦情况下，全球大气中有效位能和动能之和守恒。 45. 何谓地转平衡？

答案：自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二者的平衡称为地转平衡。

（2）基本场变量表征大气的基本运动状态，它满足

46. 牵连涡度平流如何影响相对涡度的局地变化率？

答案：牵连涡度平流又称为南北运动项，在北半球，β>0，故向北运动时，局地相对涡度减

小；向南运动时，局地相对涡度增大。

47. 闭合系统内机械能和内能之间相互转换的途径是什么？

答案：闭合系统内机械能和内能之间相互转换是通过系统内气压场做压缩功才能实现。 48. 旋转衰减作用如何理解？

答案：行星边界层的湍流摩擦通过二级环流可直接影响自由大气中的运动，可是准地转涡旋

强度减弱，这种作用称之为旋转衰减作用。 49. 全球能量转换从何开始？

答案：全球能量转换从纬圈平均有效位能开始。

50. 混合长理论有哪些基本假设？混合长理论有何局限性？ 答案：混合长的基本假设：

（1）和分子一样，湍涡在运动的起始高度上具有该高度上的平均物理属性；

（2）在湍流运动中存在一个混合长l，湍流移动一个混合长后不与四周混合，在此以前其具有的物理属性保持不变（守恒）。

局限性：首先，该理论中假设了湍涡混合过程是一个不连续的过程，而实际过程并不是这样的，湍涡在运动的过程中将不断和周围空气交换质量，逐渐失去其原有的物理属性，所以混合长理论缺乏可靠的物理基础，混合长是一个难以确定的量应是意料之中的；其次，假定湍涡从起始高度开始移动时携带该高度上的物理属性值，这也是不合理的。

51. 什么是噪声？

答案：噪声是指所研究的运动中那些次要的起干扰作用的波动。 52. 日常天气预报业务工作常绘制的标准等压面图有哪些？

答案：日常天气预报业务工作常绘制的标准等压面图有850、700、500、300、200、100hPa

等。

53. 绝热法计算铅直速度的缺点是什么？

答案：绝热法的缺点是要计算温度局地变化率，除非两次观测时间间隔很小，否则不能精确确定，此外静力稳定度参数数值很小，它们的计算精度对整个计算结果会有很大的影响。