文档介绍：电子文档制作:成都信息工程学院大气科学系李(教授),2005 年 8 月
动力气象学思考题与习题集
(大气科学专业适用)
李编
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
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电子文档制作:成都信息工程学院大气科学系李(教授),2005 年 8 月
目录
一、大气边界层
二、大气能量学
三、大气波动
四、地转适应过程
五、大气波动的不稳定理论
六、低纬大气动力学基础
附录 A 有用的常数
附录 B 常用单位的换算
附录 C 常用的矢量运算公式
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电子文档制作:成都信息工程学院大气科学系李(教授),2005 年 8 月
一、大气边界层
思考题
(一)名词解释
1 行星边界层(PBL) 2 埃克曼(Ekman)层 3 上部边界层 4 地面边界层 5
表面层 6 雷诺应力 7 普朗特(Prandtl)混合长 8 湍流摩擦力 9 风的对数分
律 10 风的指数分布律 11 埃克曼螺线 12 埃克曼高度 13 梯度风高度 14
埃克曼抽吸 15 一级环流 16 二级环流 17 三级环流 18 旋转减弱 19 埃
克曼数 20 理查逊(Richardson)数 21 摩擦速度 22 地表粗糙度 23 晴空湍
流(CAT)
(二)解释、回答问题
1 粗糙度的物理意义是什么?解释下列观测事实:z0 (层结稳定)<z0 (中性)<z0(层
结不稳定)
2 从物理上解释在近地层不同层结下风速分布的差异。
3 如何从水平气压梯度力、科氏力及湍流摩擦力三者平衡的原理,说明北半球风
偏向低压,风向随高度向右偏转。
4 湍流摩擦力的大小和方向在埃克曼理论中是如何变化的?
5 什么叫二级环流?埃克曼抽吸为什么会造成旋转减弱?
6 埃克曼理论中,在 z=0 和 z=hB 两个高度上,湍流摩擦力和风的关系如何? 试作
图说明。
7 在急流中心,很少观测到晴空湍流,但紧贴急流的上方或下方,却经常可观测
到晴空湍流。
习题
1 实际风指向地转风的右方 30°,如果地转风为 20 米·秒-1,问风速的变率是多
少? 设 f=10-4 秒-1。
2 如果地转风速为 8 米·秒-1,而地转偏差与地转风垂直,并且比地转风小 4 倍,
试求 55°N 处单位质量空气微团动能的变化。
3 在中纬度距地面 1 千米的气层内,风矢量与等压线的夹角约为 15°,在不存在
JG
其它力的情况下,试计算阻尼项-kV 使水平风速减小到 1/e 所需的时间。
∂ u
4 假定在近地层中,雷诺应力 TZX 为常数,混合长,并且在下边界 z=0
lk=−∂ z
∂ 2 u
∂ z 2
3
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∂u
处, →∞,试求风速随高度的分布。
∂z
5 已知由于湍流摩擦引起的边界层顶部的垂直速度为
1/2
w=ζg(k/2f)
(1) 试推出正压大气中,由于湍流摩擦引起的二级环流对天气尺度涡旋的旋转减弱
时间τe 的公式。
(2) 若湍流系数 k=8 米 2·秒-1,f=10-4 秒-1,涡旋顶部 w=0 的高度为 10 千米,试计
算τe 为多少?
6 试证在均质、正压流体中与地转涡旋相结合的二级径向环流其强度不随高度而
变。
7 假定在 60°N 处空气微团的速度为 40 千米·小时-1,如实际风偏向低压,且与
地转风成 15°角,又知实际风比地转风大 5%,试求空气微团移动速率的变化,并求
地转偏差及与等压线的夹角。
8 在某地测定平均风速随高度的分布,得到如下结果,假定风速分布满足对数规
律,试计算 z0,u*及T0(取卡曼常数为 )
高度(米) 平均风速(米·秒-1)
7
2
9 向圆筒里注水,高度达 米,并使其每分钟旋转 10 转,试计算埃克曼边界层的
厚度和旋转衰减的时间。假设运动是层流状态,并取水的粘性系数υ=10-6 米 2·秒-1。
10 设有一个高空锋带,其中温度为近乎 230K 的等温分布,即温度递减率为零。
风的铅直切变为 30 米·秒-1·千米-1。
(1) 计算其理查逊数 Ri。
(2) 在此气层内,具有这个 Ri 值,就晴空湍流(CAT)