动力气象学期末考试题基本概念复习题

1一、名词解释范围（共计20分）（1）冷暖平流：由温度的个别变化与局地变化的关系：33dTTVTdtt或dTTTVTwdttt移项后，有：TdTTVTwtdtt设0,0dTwdt，则有TTVTVts（s方向即水平速度的方向。空气微团做水平运动时，即使为微团本身的温度保持不变，也会引起温度场的局地变化。）当0Ts，即沿着水平速度方向温度是升高的，风由冷区吹向暖区，这时0TVs（即0Tt），会引起局地温度降低，我们便说有冷平流。当0Ts，即沿着水平速度方向温度是降低的，风由暖区吹向冷区，这时0TVs（即0Tt），会引起局地温度升高，我们便说有暖平流。总之温度平流是通过水平气流引起温度的重新分布而使局地温度发生变化的。（2）罗斯贝数：水平惯性力与水平科氏力之比，即：00URfL，表示大气运动的准地转程度，也可用来判别大气运动的类型（大、中、小尺度）和特性（线性或非线性）。（3）梯度风：水平科氏力、离心力和水平气压梯度力三力达成的平衡。此时的空气运动称为梯度风，即21VpfVRn。（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。这时的空气作水平直线运动，称为地转风，表达式为：1gVpkf。（5）平面近似：中高纬地区，对大尺度运动，/1ya，则0ffy，其中002cos2sin,fconstconsta具体做法：f不被微分时，令0ffconst。f在平流项中被微分时，令fconsty。2实质：利用0纬度处某点的切平面代替该点附近的地球球面（即取局地切平面近似），只考虑地球球面性最主要的影响—科氏参数f随纬度的变化。（6）Ekman抽吸：湍流摩擦作用一方面通过二级环流直接输送到自由大气，另一方面通过二级环流使自由大气与边界层进行质量和动量等物理量的垂直交换。则自由大气中质量大的空气通过被吸入边界层，而边界层中动量小的空气被抽入自由大气。这种由湍流摩擦诱导二级环流生成的垂直交换过程称为埃克曼抽吸，其实质上是穿越边界层顶的二级环流的垂直分支。埃克曼抽吸强度（速度）与自由大气的地转风涡度成正比。（7）旋转减弱：又称旋转衰减或指数衰减。埃克曼抽吸使边界层与自由大气间产生质量和动量的交换，自由大气中动量大的空气被吸入边界层，边界层中动量小的空气被抽入自由大气，从而使自由大气的运动减弱，相应的准地转涡旋环流（一级环流）的涡度也会随时间呈指数式减小，称为旋转减弱。（8）惯性不稳定：惯性不稳定：南北移动的空气质点离开平衡位置而穿越正压、地转平衡的基本纬向气流，若基本气流对空气质点的位移起加速作用，则称惯性不稳定。惯性不稳定运动中，扰动发展的能源主要来自基本气流的动能。惯性不稳定的判据为：0aufy（9）斜压不稳定：由基本气流的垂直切变所引起的罗斯贝波（大气长波）不稳定，即由于基本场的南北向温度梯度所造成的长波不稳定。由斜压不稳定产生的斜压长波发展的能源主要来自基本气流的有效位能，也可部分来自基本气流的动能。斜压不稳定是中纬度天气尺度波动发展的主要机制，温带气旋的生成、斜压罗斯贝波的发展即为斜压不稳定的典型现象。斜压罗斯贝波不稳定的充分和必要条件是：22TCuu和222k（或CLL）,其中CL是临界波长，Cu为临界垂直切变，22()afC斜压不稳定罗斯贝波的水平结构为平均温度槽落后于平均气压（流场）槽，垂直结构为：高层流场的振幅大于低层流场，且高层流场位相落后与低层流场，槽脊线随高度的增加向西倾斜。在这种水平、垂直结构下，槽前的暖空气一边向北流且同时上升；而槽后的冷空气一边向南流且同时下沉，则平均有效位能转换为扰动有效位能再转换为扰动动能，使扰动得以发展。（10）CISK：条件不稳定大气中积云对流和天气尺度扰动二者之间看成是相互协调的。天气尺度扰动造成的湿空气的强烈辐合使积云得到发展，而有组织积云对流释放潜热为天气尺度扰动发展提供能量。当积云尺度和天气尺度扰动之间的这种相互作用，导致天气尺度扰动不稳定增长时，这一国工程称为第二类条件不稳定，常用缩写词CISK表示。由积云对流和天气尺度扰动两者相互作用所产生的不稳定性，被称作第二类条件不稳定（ConditionalInstabilityofSecondKind，缩写为CISK），之所以如此称呼，是因为它与能产生小尺度积云对流的条件不稳定有着较为明显的区别。在热带条件不稳定的大气中，当地层具有天气尺度的扰动时，不稳定能量就会释放，转变为台风发展的动能。在具体过程方面，许多的理论研究都证明，首先是条件不稳定性最适合产生积云对流，而平常的条件不稳定性就不能解释天气尺度有规律的运动。观测又表明，平均热带天气甚至在行星边界层中也并不饱和。因此气块在获得正浮力之前，必须先受3到相当强的强迫抬升。这样的强迫抬升只有在低空幅合区才有。因此必须把积云对流和大尺度运动看作是相互作用的。积云对流提供驱动大尺度扰动所需的热能，二大尺度扰动又产生发生积云对流所需的湿空气幅合。积云对流释放凝结潜热使对流层中、上层不断增暖，并使得高层气压升高，产生幅散。高层幅散又促使低层扰动中心的气压降低，产生幅合。这种大尺度的低层幅合，又提供了积云对流发展的水汽。如此循环从而导致扰动不断发展形成台风。这就是CISK作用的机制。CISK机制是根据尺度相互作用得到的第二类条件不稳定目前认为是描述台风发展的一种重要机制。这是通过边界层辐合或水汽向上输送的作用使得扰动增幅的理论：水汽凝结使得潜热释放，高空增暖和质量流出，地面气压下降，地面辐合增强，如此循环，很好解释了台风维持和发展的机制。这是通过边界层辐合或水汽向上输送的作用使得扰动增幅的理论：水汽凝结使得潜热释放，高空增暖和质量流出，地面气压下降，地面辐合增强，如此循环，很好解释了台风维持和发展的机制（11）上游效应：（长波的频散效应）：当00,0ggcccc或但时，上游扰动的能量先于扰源到达下游，使下游产生新扰动或加强原有的扰动，即上游系统对下游系统产生影响，称为上游效应。（12）尺度：表征某类大气运动系统各变量的特征值。（13）基别尔数：局地惯性力与水平科氏力之比或惯性特征时间尺度与运动时间尺度之比，即101f（101f为惯性运动周期），可用来判别大气运动的定常性和快慢性。（14）里查森数：空气运动因克服重力场作功消耗的脉动动能与雷诺应力转变来的脉动动能之比，即：2222()()()()dihhhggNzTTRVVVzzz。iR可用来判断湍流或对流运动是否发展，即iicRR,对流发展；iicRR,对流抑制,其中icR为临界值。也可用来判断大气（特别是近地层大气）层结稳定度，即0iR层结稳定；0iR层结中性；0iR层结不稳定。（15）热成风：铅直方向上两等压面上地转风的矢量差。（16）地转偏差：实际风与地转风的矢量差。（17）速度环流：流场中某一有向闭合物质曲线上的速度切向分量分量沿该闭合物质曲线的线积分，简称环流。以C代表环流，则，33cosCVdsVds，其中ds是和环线L方向一致的有向弧元，是3V与ds之间的夹角。（18）涡度：速度场的旋度。以表示。33V（29）有效位能：简称APE，闭合系统中全位能与温度场按绝热过程重新调整到稳定层结后所具有的最小全位能的差，是全位能中能够转化为动能的最大可能值。也可理解为稳定层结中空气垂直向上位移克服净的阿基米德浮力所作的功。（20）摄动法：摄动法：又称小参数展开法或WKB(J)方法。选择一个能反映物理特征的无4量纲小参数作为摄动量，并设方程非线性解可按此小参数展成幂级数，代入方程确定出级数的系数从而得到原方程渐近解的一种方法。也有人认为WKBJ方法是应用多尺度方法求解非线性波动的一种作法。（21）惯性稳定：在地转平衡条件下，水平扰动没有使气块有远离原有平衡位置的趋向。（22）中尺度对称不稳定：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，在浮力和旋转地共同作用下，仍然可能出现的一种不稳定现象——对称不稳定。因其具有中尺度特征，以及它在导致中尺度扰动不稳定增长中的重要作用，所以又称为中尺度对流不稳定。（23）条件不稳定：也称第一类条件不稳定。指若md，则这种空气对未饱和湿空气层结是稳定的，对饱和湿空气是不稳定的。条件不稳定的判据：SS,称真潜在不稳定；SS,称假潜在不稳定；0S，称为条件稳定。其中S代表不稳定能量面积。（24）梯度力：由于气压分布不均匀而作用于单位质量空气上的力,其方向由高压指向低压。（25）重力：地球引力与惯性离心力的矢量和（合力）。二、简述题范围（共计30分）1．地转偏差及其作用？是指实际风与地转风的矢量差。我们所说的地转风为科氏力与气压梯度力平衡的风场，是一种理论上存在的风，而不是实际风。实际风与地转风的差异总是存在的，这种差异的存在往往是各种因素造成的，其中最主要的有，近地层的摩擦作用，这是由于空气运动时与地表面产生摩擦而出现的，它的方向与空气运动方向相反，又总是使风速减小。应用热成风原理，可在实际工作中进行天气分析，如根据某站风随高度变化的情况作温度平流的分析，当风随高度作逆时针方向旋转时互平衡。2．有效位能及其性质？：由于物体在地球重力场中处于一定的位置而具有的能量。它是用把物体从任一标准平面(通常指海平面)抬升到物体所在位置所需做的功来计算的。3．尺度，尺度分析法，尺度分析法的不确定性？4．为什么说等压面图上等高线愈密集的地区水平气压梯度力愈大？5．p坐标建立的条件是什么？p坐标的优缺点是什么？6．简述大气长波的形成机制？7．什么是微扰动法？8．什么是WKB方法？9．简述科里奥利力随纬度的变化？10．大气中考虑哪几种能量？简述净力平衡大气中全球能量平衡过程？11．薄层近似？12．局地直角坐标系？与一般直角坐标系的区别？13．热力学变量尺度及其特征？14．什么是σ坐标系？515．简述静力平衡大气中全球能量平衡？16．标准波形法？17．重力惯性外波生成的物理机制是什么？为什么说当地转平衡遭到破坏后，就会激发出重力惯性外波？而在地转平衡条件下，不存在或者说滤去了重力惯性外波？18．什么是Boussinesq近似？什么是滞（非）弹性近似？采用Boussinesq近似或滞弹性近似为什么可以滤去声波？从物理上说明静力平衡近似可以滤去沿垂直方向传播的声波，但不能滤去沿水平方向传播的Lamb波。19．为什么说斜压准地转运动不可能是纯水平环流，即在准地转水平环流之上必迭置有二级环流？这一二级环流有何重要性？它与Ekman抽吸作用造成的二级环流在性质上、作用上有何差别？20．用Q矢量表示的准地转ω方程有何优点？试讨论铅直运动与Q矢量的关系，为什么说Q矢量的方向总是指向上升区？