动力气象试题解答概述

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1、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2 V3。2 V3始终与和V3相垂直，而与赤道平面垂直，所以2 V3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

2、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R0 U,fL，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，R01,科里奥利力不能忽略不计，对于小尺度运动，R01,科里奥利力可忽略不计。4. Richardson数理查德孙（Richardson）数的定义式为Ri N 2D 2山2，它代表垂直惯性力与水平科g lnz N 2N 2D 2里奥利力的尺度之比。由于Ri,理查德孙数又是一个V 丿 Z 2 V / Z 2 U 2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

3、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（|Rt |）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。6. 梯度风最一般的平衡流场称为梯度风场。在梯度风运动中，水平气压梯度力、科里奥利力、惯性离心力相平衡。地转风是|RT I时梯度风的一个特例。7热成风热成风定义为铅直方向上两等压

4、面上地转风的矢量差。热成风方向与等平均温度线（即等厚 度线）平行，在北半球暖区在热成风方向右侧，冷区在热成风方向左侧；热成风大小与平均 温度梯度成正比，与纬度的正弦成反比。热成风关系的重要性就在于具体地揭示了静力平衡 大尺度运动中风场、气压场、温度场之间的关系。8地转偏差实际风与地转风的矢量差定义为地转偏差。地转偏差用V表示，则V V V。地转 g 偏差和水平加速度方向相垂直，在北半球指向水平加速度的左侧，地转偏差的大小和水平加 速度成正比，和纬度的正弦成反比。地转偏差虽然很小，但对大气运动的演变却起着极为重 要的作用。9. 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

5、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。10二级环流由于湍流摩擦作用，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，这种由水平辐合辐散和垂直运动形成的铅直环流迭 加在准地转水平环流之上，称之为二级环流。行星边界层的湍流摩擦通过二级环流可以直接 影响自由大气中的运动，使准地转涡旋强度减弱。11 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。 12.

6、 位势涡度 位势涡度简称位涡，位涡是一个同时描写大气热力状态和运动状态的综合物理量，在某种意 义上可以理解为涡旋强度与其有效厚度之比的度量。在绝热无摩擦条件下，位涡具有守恒性 质。13有效位能大气现有状态下的全位能与经过绝热调整后达到层结稳定、等压面等温面重合且呈水平 分布状态（这一状态称为参考状态）时尚存的全位能之差，定义为有效位能。大气的斜压性 越强，层结越不稳定时，有效位能越充沛。14. 正压大气密度的空间分布只依赖于气压的大气状态称作正压大气。正压大气中等压面、等密度、 等温面重合在一起。在静力平衡条件下，正压大气中各等压面相互平行，因而某一等压面在 空间的倾斜状态可以代表所有等压面的

7、倾斜状态。15. 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的大气状态称作斜压大气。斜压大气 中等压面与等温面、等密度面是交割的。实际大气经常处于斜压状态。大气的斜压性对地球 大气的运动具有重要影响。16. 正压不稳定发生在具有水平切变基本纬向气流中的长波不稳定称为正压不稳定，正压不稳定的必要 条件是基本纬向气流的绝对涡度在区间内存在极值，扰动发展的能量来自基本纬向气流的平 均动能。15. 斜压不稳定）发生在具有垂直切变基本纬向气流中的长波不稳定称为斜压不稳定，长波的斜压不稳定 与垂直风切变和波长有关，最不稳定波长约为 4000 5000km 。扰动发展的能量主要来自 来自有效位能的释

8、放，斜压不稳定是中纬度天气尺度扰动发生发展的主要物理机制。16. 对称不稳定所谓对称不稳定，是指在具有风速切变的基本气流中，即使在铅直方向和水平方向分别 是对流稳定和惯性稳定的，但是当空气作倾斜上升运动时，在浮力和旋转的共同作用下，仍 然可能出现的一种不稳定现象。由于在早期的研究中，认为这是一种由对称环状涡旋中的经 向扰动所引起的不稳定现象，故称为对称不稳定。后来，Emanuel等进一步论证了对称不稳 定的中尺度特征，以及它在导致中尺度扰动不稳定增长中的重要作用，因此又称为中尺度对 称不稳定。17. 惯性不稳定在基本流场为西风且有水平切变的情况下，气块因受到南北扰动离开原来位置后，在科 里奥利

9、力作用下产生的不稳定称为惯性不稳定。出现惯性不稳定性的判据为基本流场的绝对 涡度为负值。18. 大气行星边界层接近地球表面的厚度约为 11.5km 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。19. 开尔文环流定理 根据绝对环流定理，绝对环流的加速度等于环线包围力管的代数和。对于正压大气，由于比 容、密度仅是气压的函数，力管项等于零，因此，正压大气中绝对环流守恒。这一结论称为 Kelvin环流定理。20. 拉姆波受地球旋转作用影响，在静力平衡大气中只沿水平方向传播的特殊声波，称为拉姆波。 与纯水平声波不同，拉

10、姆波是一种水平尺度较大的频散快波。拉姆波属于外波型波动，其扰 动气压随高度按指数减小，但扰动速度随高度几乎不改变。21. 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。这种合成波列振幅的包络线称为波包迹，其传播的速度称 为群速。22. 平面近似在中纬度地区，若运动的经向水平尺度远小于地球半径时La1，可以取彳 f0,即把f作为常数处理，这种近似称为“ f”近似。取“ f”近似相当于完全没有考虑地球球面性所引起的f随纬度的变化。高一级近似 是所谓的 平面近似，其主要内容是：1. 当f处于系数地位不被微商时，取f f;2当f处于对

11、y求微商地位时，取dfdy 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 下来了。23. Boussinesq近似包辛内斯克近似但针对密度的一种热力学近似，适用于浅层运动，其含义为在运动方程 中部分考虑密度扰动的影响，即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 动影响，简化为不可压缩形式;热力学能量方程保留密度扰动影响，只保留膨胀的作用，即 取 ;这种近似叫作包辛内斯克近似。取包辛内斯克近似后的方程组即可有效 地滤去声波，又很好地保留了产生重力内波声波的物理机制。

12、24. 准地转近似准地转近似是为了合理地描写中纬天气尺度的准地转运动而引入的一种动力学近似，其 含义为除散度项外，方程中的水平速度和涡度都取为地转风和地转涡度。取准地转近似后得 到的准地转方程组既突出了中纬度大尺度运动的的准地转性质，又保留了维持准地转平衡所 必须的水平辐合辐散，而且很好地保持了运动的若干整体性质，因此能够更为合理地描写中 纬大型天气演变过程。25. 薄层近似大气中90%以上的质量集中在离地表的一薄层中，其有效厚度约为几十公里，远比地 球平均半径小，因此可取r aza。其中a是地球半径，z是离地表的铅直高度。球坐 标系的运动方程中，当r处于系数地位时用a来代替r，当r处于系数地

13、位时用z来代替r， 这一近似郭晓岚称之为薄层近似。26. 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相一致，n是t的法向量，并指向水平气流的左侧，k的方 向铅直向上。采用自然坐标系讨论平衡流场的一般性质非常方便。27. 局地直角坐标系局地直角坐标系兼具笛卡尔坐标系和球坐标系的特点，它保持了球坐标系的标架，但忽 略了球面曲率的影响；局地直角坐标系与笛卡尔坐标系方程组的形式相同，但笛卡尔坐标系 中坐标轴的方向在空间中固定不变，而局地直角坐标系中坐标轴的方向随地而异。如果我们 的研究范围仅限于中低纬大气的大尺度运动，那么局地直

14、角坐标系中的基本方程组已相当精 确。28. Taylor-Proudman定理若流体是均质（或正压）不可压缩的流体，且运动是定常缓慢的，则运动速度V3只是 在与相垂直的平面内才可能有差异，故运动是二维的，这就是Taylor-Proudman定理。二、问答题（1）何谓 平面近似？取 平面近似有何意义？答：在中纬度地区，若运动的经向水平尺度远小于地球半径时 L-a1，可以取f f0，即把f作为常数处理，这种近似称为“ f”近似。取“ f”近似相当于完全没有考虑地球球面性所引起的f随纬度的变化。高一级近似是所谓的 平面近似，其主要内容是：2. 当f处于系数地位不被微商时，取f f0；2当f处于对y求

15、微商地位时，取dfdy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了。（2）何谓地转偏差？它对大气运动的演变发展有何重要作用?答： 为了量度实际风偏离地转风的程度，我们将实际风与地转风的矢量差定义为地转偏差。地转偏差用v 表示，则V V V。g地转偏差虽然很小，但对大气运动的演变却起着极为重要的作用。有地转偏差时，空气微 团才可能作穿越等压线运动，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；地转偏差对大气运动动能的制造和转换起着重要 作用；地转偏差对水平散度和铅直运动也有重要意义。（3）何谓 p 坐标系， p 坐标系的主要优缺点是什么？答：用气压p作为铅直坐标变量的坐标系称为p坐标系，大气的静力平衡性质是建立p坐 标系的物理基础。p坐标系的主要优点是：（1） p坐标系中的大气运动方程组具有较简单的形式，例如 气压梯度力项成为线性项，连续方程，成了一个诊断方程。（2） p坐标系适合日常气象业 务工作的需要，采用p坐标系方程组进行诊断计算与分析十分方便。p 坐标系的主要缺点是不能正确地给出下边界条件，难以考虑地形对大气运动的作用 和影响。此外，对于小尺度运动不满足静力平衡条件，自然