2025年大學《應用氣象學》專業(yè)題庫——大氣動力學與氣象學研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題后括號內）1.在地轉平衡近似下，地轉風的主要驅動因素是：(A)大氣垂直運動(B)氣壓梯度力與科里奧利力的平衡(C)地球自轉(D)熱力力矩2.以下哪個物理量是表征大氣靜力穩(wěn)定性的重要指標？(A)比濕(B)氣壓(C)位溫(D)空氣密度3.在氣象學中，羅斯貝波的主要特征是：(A)在地面上傳播，速度與風相同(B)在平流層傳播，振幅隨高度增加(C)在對流層低層傳播，具有色散特性(D)只存在于靜力穩(wěn)定的大氣中4.數(shù)值天氣預報（NWP）模式運行的基本步驟通常包括：(A)初始場生成、物理過程參數(shù)化、模式積分、預報驗證(B)氣壓觀測、風場分析、溫度預報、濕度訂正(C)模型坐標轉換、網(wǎng)格加密、數(shù)據(jù)同化、結果可視化(D)熱力學方程推導、連續(xù)方程應用、運動方程求解、邊界條件設定5.用于描述大氣中水汽含量概念的是：(A)位溫(B)比濕(C)水汽壓(D)相對濕度6.大氣邊界層的高度通常受以下哪個因素主導？(A)大氣靜力穩(wěn)定性(B)地表溫度(C)地球自轉速度(D)大氣旋渦活動7.在集合天氣預報中，使用集合成員的主要目的是：(A)提高計算效率(B)提高模式分辨率(C)估計預報不確定性(D)減少模式物理過程參數(shù)化誤差8.地轉波動理論主要適用于：(A)慣性振蕩的描述(B)大尺度天氣系統(tǒng)的分析(C)大氣邊界層湍流研究(D)氣泡對流的發(fā)生機制9.梯度風的概念主要用來解釋：(A)地表風場(B)平流層風場(C)高空急流的形成(D)低空急流的形成10.氣象觀測數(shù)據(jù)在進入數(shù)值模式前，通常需要進行：(A)數(shù)據(jù)壓縮(B)數(shù)據(jù)加密(C)數(shù)據(jù)質量控制(D)數(shù)據(jù)格式轉換二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.___________是大氣運動的基本驅動力，它是由地球表面不同區(qū)域受熱不均引起的。2.科里奧利參數(shù)f的正負取決于地球的自轉方向和地理位置的___________。3.大氣靜力學方程表達了氣壓隨高度變化的規(guī)律，其基本形式為_________。4.數(shù)值天氣預報模式的“半隱式”時間積分方案能同時求解動量方程和___________方程。5.大氣邊界層內，風速通常隨高度增加，這種現(xiàn)象稱為___________。6.用于將觀測數(shù)據(jù)融入數(shù)值模式背景場的處理過程稱為___________。7.羅斯貝波的相速度隨波長（或波數(shù)）的不同而變化的現(xiàn)象稱為___________。8.在絕熱過程中，如果干空氣做絕熱上升，其溫度將___________（升高/降低/不變）。9.慣性振蕩的頻率僅取決于___________和緯度。10.利用雷達或激光等探測手段測量大氣風場的技術通常稱為___________。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述地轉風和梯度風的主要區(qū)別。2.解釋什么是大氣靜力穩(wěn)定性，并簡述其與大氣垂直運動的聯(lián)系。3.簡述數(shù)值天氣預報模式中物理過程參數(shù)化的必要性和主要挑戰(zhàn)。4.大氣邊界層內的風場具有哪些不同于自由大氣的主要特征？四、計算題（每題10分，共30分）1.已知某地氣壓為1000hPa，高度為500米處氣壓為970hPa。假設該區(qū)域大氣為干空氣，溫度隨高度遞減率為6K/km，試估算該地區(qū)的地轉風速（假設風向正北，忽略科里奧利力影響）。2.一團空氣質量為1kg的干空氣從溫度為20°C、氣壓為1000hPa的初始狀態(tài)，絕熱上升至高度為4000米處。假設大氣為干絕熱過程，試計算該氣團在上升至4000米處時的溫度和潛在溫度。（干絕熱遞減率取9.8K/km）3.假設一個羅斯貝波的波長為2000km，在緯度30°處傳播，其水平波數(shù)k=2π/2000km?1。已知該緯度處的地轉參數(shù)f=10??s?1，試估算該羅斯貝波的相速度。五、論述題（每題15分，共30分）1.試論述大氣觀測技術在現(xiàn)代氣象學研究中的作用及其面臨的挑戰(zhàn)。2.結合大氣動力學原理，論述地形對局地天氣系統(tǒng)（如降水、風場）可能產(chǎn)生的影響。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.A5.B6.A7.C8.B9.C10.C二、填空題1.氣壓梯度力2.經(jīng)度3.Δp=-ρgΔz4.熱力學5.梯度風6.數(shù)據(jù)同化7.色散8.降低9.地球自轉角速度10.激光雷達/雷達測風三、簡答題1.解析思路：地轉風假設水平氣壓梯度力完全被地轉偏向力平衡，只考慮地轉偏向力，風速僅與氣壓梯度有關，垂直于等壓線。梯度風則考慮了慣性離心力，適用于曲率較大的氣流（如急流），其風速大于地轉風，風向也與等壓線有夾角。答案要點：地轉風忽略了慣性離心力，僅由氣壓梯度力和地轉偏向力平衡；風速大小由氣壓梯度決定，風向垂直于等壓線。梯度風同時考慮了氣壓梯度力、地轉偏向力和慣性離心力，適用于曲率氣流，風速大于地轉風，風向與等壓線夾角更小。2.解析思路：靜力穩(wěn)定性描述大氣垂直運動的傾向。如果大氣層結越不穩(wěn)定（即環(huán)境溫度遞減率大于干絕熱遞減率），垂直擾動（如上升空氣）會持續(xù)加強，形成對流。反之，如果大氣層結越穩(wěn)定，垂直擾動會受抑制。靜力穩(wěn)定性通過環(huán)境溫度隨高度的變化率（或位溫隨高度的變化率）來量度。答案要點：大氣靜力穩(wěn)定性是指大氣層結抵抗垂直運動的特性。靜力穩(wěn)定時，上升空氣冷卻變輕，下沉空氣增溫變重，垂直運動受抑制；不穩(wěn)定時，上升空氣增溫變輕，下沉空氣冷卻變重，垂直運動會持續(xù)發(fā)展。其量度與大氣溫度垂直遞減率有關。3.解析思路：數(shù)值模式無法直接求解包含湍流、云降水等復雜微觀過程的控制方程，需要用簡化的參數(shù)化公式來代替。參數(shù)化的必要性在于提高計算效率，使模式能運行更大時空范圍和時間尺度。挑戰(zhàn)在于參數(shù)化方案對復雜物理過程的簡化是否合理，能否準確反映其宏觀統(tǒng)計效應。答案要點：必要性：大氣過程復雜，模式網(wǎng)格分辨率有限，無法直接模擬所有細節(jié)，需參數(shù)化簡化以提高效率。挑戰(zhàn)：參數(shù)化方案依賴理論、觀測和經(jīng)驗，簡化過程可能引入誤差，準確模擬復雜過程的宏觀效應是難點。4.解析思路：邊界層受地表摩擦影響顯著。近地面風速通常較小，并存在水平方向上的切變（風速隨高度增加）。風向通常與地面摩擦力平衡，更接近于地轉風方向，而非高空風方向。此外，邊界層內湍流混合活躍，垂直方向上的交換也更強。答案要點：風速較小，隨高度增加（梯度風現(xiàn)象減弱）；風向更接近地轉風方向；湍流活動強，垂直混合顯著；受地表類型影響大；夜間可能出現(xiàn)逆溫層，抑制垂直運動。四、計算題1.解析思路：首先根據(jù)氣壓差和高度差計算水平氣壓梯度力（g），g=Δp/Δz。然后根據(jù)地轉平衡條件，地轉風速Vg=-g/f。注意單位換算：1hPa=100Pa，1km=1000m，1s=1sec。計算過程：Δp=970hPa-1000hPa=-30hPa=-30*100Pa=-3000PaΔz=500mg=Δp/Δz=-3000Pa/500m=-6Pa/mf≈2*π*ω*sin(30°)=2*π*(7.292*10??rad/s)*0.5≈2.3*10??s?1Vg=-g/f=-(-6Pa/m)/(2.3*10??s?1)≈261.7m/s（忽略科里奧利力，風向正北，風速大小為261.7m/s）2.解析思路：絕熱過程無熱量交換。干絕熱過程假設空氣始終飽和，但未考慮水汽凝結釋放的潛熱。上升空氣絕熱冷卻，溫度降低。利用干絕熱遞減率（L_d）計算溫度變化。潛在溫度是干絕熱過程中空氣達到平衡狀態(tài)時的溫度，計算時需要知道初始溫度和氣壓。計算過程：Δz=4000mL_d=9.8K/km=9.8K/1000m=0.0098K/m溫度降低量ΔT=L_d*Δz=0.0098K/m*4000m=39K初始溫度T1=20°C=293K終止溫度T2=T1-ΔT=293K-39K=254K=-19°C計算潛在溫度θ：θ=T2*(1000hPa/1000hPa)^(R/Cp)=T2*(1)=254K=-19°C（注：這里假設氣壓從1000hPa絕熱上升至某個平衡氣壓，平衡時氣壓與初始氣壓相同，因此比溫比壓比值為1。實際潛在溫度計算更復雜，需考慮氣壓變化。此處按簡化公式計算）3.解析思路：羅斯貝波的相速度包括相地轉速度和經(jīng)向色散。相地轉速度V_phase_g=(gN')/f，其中N'是Brunt-V?is?l?頻率，N'2=(g/T)*(dT/dz+γ)，γ是環(huán)境垂直溫度遞減率。經(jīng)向色散項為(λ2f/(π^2*N'*a*cosφ))*cotφ。但題目未給γ和a，且簡化波長和波數(shù)，可用基本關系V_phase_g≈(gN')/f。相速度V=V_phase_g+V_dispersive。慣性頻率ω=2πf，羅斯貝波周期T=2π/ω。相速度也可表示為V=2πT/λ。結合給定信息計算。計算過程：波長λ=2000km=2*10^6m波數(shù)k=2π/λ=2π/(2*10^6m)≈3.14*10??m?1地轉參數(shù)f=10??s?1緯度φ=30°cot(30°)≈1.732（簡化計算，忽略經(jīng)向色散，假設相地轉速度為相速度）V_phase_g≈(gN')/f。需要估算N'。若無γ，可假設標準大氣層結估算N2，或直接用V_phase_g≈(g*(N'?+αz))/f估算，其中N'?為地面值，α為Brunt-V?is?l?數(shù)。但題目信息不足，難以精確計算。通常V_phase_g與緯度有關，隨緯度升高而減小。更直接的思路是利用相速度定義V=2πT/λ。慣性頻率ω=2πf。周期T=2π/ω=2π/(2π*10??s?1)=10?s=100min。相速度V=2π*100min/(2*10^6m)=0.1π*10?3m/min≈3.14*10??m/min=5.24*10?3m/s≈5.24mm/s。五、論述題1.解析思路：大氣觀測是所有氣象研究和預報的基礎。從地面氣象站網(wǎng)到探空、遙感（衛(wèi)星、雷達、激光）、高空探測、風廓線儀等，提供了大氣狀態(tài)（溫度、濕度、氣壓、風、云等）的時空信息。這些數(shù)據(jù)用于初始化數(shù)值模式、驗證預報、改進模式、開展氣候監(jiān)測、研究大氣物理過程（如云降水、邊界層）、反演大氣成分（如溫室氣體）等。挑戰(zhàn)包括觀測系統(tǒng)的覆蓋均勻性和時空分辨率不足、觀測數(shù)據(jù)的質量控制難度大、觀測成本高昂、部分關鍵參數(shù)（如水汽、邊界層）觀測仍有困難、多源數(shù)據(jù)融合與應用等。答案要點：大氣觀測提供氣象研究的“原料”和氣象預報的“起點”。作用：提供初始場、驗證預報、改進模式、監(jiān)測氣候、研究過程、反演成分等。挑戰(zhàn)：覆蓋與分辨率有限、質量控制復雜、成本高、關鍵參數(shù)難測、多源融合難。2.解析思路：地形通過影響氣流輻合輻散、抬升或下沉、摩擦以及輻射條件來改變局地天氣。山脈迎風坡會強迫氣流上升，導致冷卻凝結，易形成地形雨和云層；背風坡則產(chǎn)生下沉氣流，天氣通常晴朗干燥。山谷地形可產(chǎn)生山谷風，狹窄谷地可能產(chǎn)生地形波。山地會阻擋大尺度波動，導致天氣系統(tǒng)變形或阻塞。