2025年大學(xué)《氣象技術(shù)與工程》專業(yè)題庫——大氣湍流理論與氣象技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.大氣湍流2.湍流脈動(dòng)3.湍流強(qiáng)度4.湍流動(dòng)能5.激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述大氣湍流產(chǎn)生的物理機(jī)制。2.比較大尺度湍流和小尺度湍流在特征尺度上的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述熱線/熱膜探頭的測(cè)量原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。4.解釋大氣湍流對(duì)近地面氣象要素（如風(fēng)速、溫度）場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。三、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某氣象站觀測(cè)到10分鐘平均風(fēng)速為15m/s，湍流強(qiáng)度（均方根風(fēng)速與平均風(fēng)速之比）為0.1。請(qǐng)計(jì)算該時(shí)段內(nèi)水平風(fēng)速的均方根值和湍動(dòng)能的時(shí)均值。（取空氣密度ρ=1.2kg/m3）2.假設(shè)大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)速廓線符合指數(shù)律，風(fēng)速隨高度的變化率（α）為0.2m?1。已知地面處湍流摩擦速度u*=0.3m/s。請(qǐng)計(jì)算高度為100米處的大氣湍流強(qiáng)度，并簡(jiǎn)述該強(qiáng)度值的物理意義。四、論述題（每題12分，共24分）1.論述大氣湍流對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道視程（RVR）或低空風(fēng)切變預(yù)報(bào)的影響，并簡(jiǎn)述利用激光雷達(dá)等技術(shù)進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)的原理。2.結(jié)合你所了解的氣象技術(shù)，論述大氣湍流研究對(duì)于風(fēng)能資源評(píng)估和風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的重要性，并指出當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方向。試卷答案一、名詞解釋1.大氣湍流：大氣中不規(guī)則的、隨機(jī)變化的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)為速度、溫度、壓力等氣象要素的空間和時(shí)間上的脈動(dòng)。2.湍流脈動(dòng)：湍流中氣象要素（如風(fēng)速）圍繞其時(shí)均值所做的隨機(jī)波動(dòng)。3.湍流強(qiáng)度：通常指風(fēng)速（或溫度）的均方根值與平均值的比值，用于表征湍流運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。4.湍流動(dòng)能：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所具有的湍流動(dòng)能，時(shí)均值為零，但其在時(shí)間上的均方根值代表了湍流運(yùn)動(dòng)的平均能量，計(jì)算公式為<u'2+v'2+w'2>/2，其中u',v',w'分別是三個(gè)方向的速度脈動(dòng)。5.激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理：利用激光束與大氣分子（或氣溶膠粒子）相互作用產(chǎn)生的背向散射信號(hào)隨時(shí)間的變化，通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間延遲、頻率多普勒頻移等信息，反演出大氣風(fēng)場(chǎng)（包括速度和方向）的廓線或其他參數(shù)的遙感探測(cè)技術(shù)。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣湍流產(chǎn)生的物理機(jī)制。*解析思路：從宏觀不穩(wěn)定和局地?cái)_動(dòng)兩個(gè)層面回答。首先，大氣靜力不穩(wěn)定（如溫度垂直遞減率大于干絕熱遞減率）提供了湍流發(fā)展的熱力條件。其次，地表粗糙度摩擦、山地等地形強(qiáng)迫、氣流的輻合輻散、輻射加熱不均等產(chǎn)生的局地?cái)_動(dòng)，提供湍流發(fā)展的觸發(fā)機(jī)制和能量來源。這些因素共同作用，使得大氣從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。2.比較大尺度湍流和小尺度湍流在特征尺度上的主要區(qū)別。*解析思路：區(qū)分湍流的慣性子（Inertialsubrange）和能量耗散區(qū)。大尺度湍流（慣性子區(qū)域）的尺度較大，生命期較長(zhǎng)，主要受慣性力支配，能量級(jí)數(shù)較高。小尺度湍流（能量耗散區(qū)）的尺度較小，生命期很短，能量主要通過粘性效應(yīng)耗散到分子運(yùn)動(dòng)層面。根據(jù)Kolmogorov理論，慣性子區(qū)域的湍流速度脈動(dòng)具有相似性，其譜密度與波數(shù)成反冪律關(guān)系（-5/3次方）。3.簡(jiǎn)述熱線/熱膜探頭的測(cè)量原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。*解析思路：測(cè)量原理是感溫元件（熱線或熱膜）因氣流擾動(dòng)而引起的散熱率變化，進(jìn)而反映氣流速度。熱線通過電流加熱，其散熱主要通過對(duì)流；熱膜由細(xì)金屬絲或涂覆材料構(gòu)成，散熱通過對(duì)流和輻射。通過測(cè)量維持元件恒定溫度所需的電流（或電壓），可推算出氣流速度。優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、精度高、可測(cè)量三維速度。缺點(diǎn)是易受溫度、濕度影響（尤其熱線），需要校準(zhǔn)，且為接觸式測(cè)量，可能干擾小尺度湍流。4.解釋大氣湍流對(duì)近地面氣象要素（如風(fēng)速、溫度）場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。*解析思路：湍流導(dǎo)致近地面大氣混合。對(duì)于風(fēng)速，湍流使得風(fēng)速在水平和垂直方向上不斷交換和擴(kuò)散，導(dǎo)致風(fēng)速切變減小，出現(xiàn)風(fēng)速梯度隨高度變化的規(guī)律（如對(duì)數(shù)律、指數(shù)律）。湍流也使得近地面層的風(fēng)速分布更加均勻。對(duì)于溫度，湍流促進(jìn)熱量交換，使得近地面溫度層結(jié)趨于穩(wěn)定，減弱逆溫強(qiáng)度，加劇晝夜溫差小的現(xiàn)象。三、計(jì)算題1.某氣象站觀測(cè)到10分鐘平均風(fēng)速為15m/s，湍流強(qiáng)度（均方根風(fēng)速與平均風(fēng)速之比）為0.1。請(qǐng)計(jì)算該時(shí)段內(nèi)水平風(fēng)速的均方根值和湍動(dòng)能的時(shí)均值。（取空氣密度ρ=1.2kg/m3）*解析思路：湍流強(qiáng)度定義公式：σ_u/<u>=0.1。由此可求水平風(fēng)速均方根值：σ_u=0.1*<u>=0.1*15m/s=1.5m/s。湍動(dòng)能時(shí)均值：<KE>=0.5*ρ*<u'2>=0.5*ρ*(σ_u2)=0.5*1.2kg/m3*(1.5m/s)2=0.5*1.2*2.25J/m3=1.35J/m3。2.假設(shè)大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)速廓線符合指數(shù)律，風(fēng)速隨高度的變化率（α）為0.2m?1。已知地面處湍流摩擦速度u*=0.3m/s。請(qǐng)計(jì)算高度為100米處的大氣湍流強(qiáng)度，并簡(jiǎn)述該強(qiáng)度值的物理意義。*解析思路：指數(shù)律風(fēng)速廓線：u(z)=(u*/α)*ln(z/z?)，其中z?是粗糙度長(zhǎng)度。湍流強(qiáng)度定義：σ_u(z)/u(z)=(u*/u(z))*(σ_u/u*)。地面處（z=0，忽略z?影響）：u(0)≈u*/α。100米處：u(100)=(0.3m/s/0.2m?1)*ln(100/z?)。湍流強(qiáng)度：σ_u(100)/u(100)=(σ_u/u*)*(u*/u(100))=(σ_u/u*)*(α*z/u*)。由于u*=α*z?，所以湍流強(qiáng)度表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：σ_u(100)/u(100)=(σ_u/u*)*(z/z?)=(σ_u/u*)*(ln(z/z?)/α)。若假設(shè)在100米處湍流強(qiáng)度仍適用該關(guān)系（或簡(jiǎn)化處理），則σ_u(100)/u(100)≈(0.1)*(ln(100/z?)/0.2)。若近似認(rèn)為z?較小，ln(100/z?)≈ln(100)，則強(qiáng)度≈0.1*(ln(100)/0.2)≈0.1*(4.605/0.2)≈0.1*23.025≈2.3。物理意義：表示在100米高度處，水平風(fēng)速的脈動(dòng)（均方根值）約為該高度平均風(fēng)速的2.3倍，反映了該高度大氣湍流活動(dòng)的劇烈程度。四、論述題1.論述大氣湍流對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道視程（RVR）或低空風(fēng)切變預(yù)報(bào)的影響，并簡(jiǎn)述利用激光雷達(dá)等技術(shù)進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)的原理。*解析思路：首先說明湍流對(duì)RVR的影響：湍流會(huì)使大氣中的水滴或冰晶隨機(jī)彌散，降低能見度，使得RVR數(shù)值升高或波動(dòng)增大，影響飛機(jī)起降安全。湍流還會(huì)加劇低空風(fēng)切變（垂直風(fēng)速梯度大或水平風(fēng)速矢量變化劇烈），這對(duì)飛機(jī)在起降和低空飛行階段的性能和安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。其次說明監(jiān)測(cè)原理：利用激光雷達(dá)（Lidar）通過向大氣發(fā)射激光束并接收背向散射信號(hào)，可以精確測(cè)量氣溶膠或分子密度的時(shí)間變化，從而反演出氣溶膠濃度場(chǎng)或溫度場(chǎng)的脈動(dòng)，進(jìn)而推算出風(fēng)速脈動(dòng)信息。多普勒激光雷達(dá)可以直接測(cè)量由風(fēng)引起的回波信號(hào)頻率多普勒頻移，從而得到三維風(fēng)速矢量及其時(shí)間變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)低空風(fēng)切變的連續(xù)、大范圍監(jiān)測(cè)。其原理基于光的散射和多普勒效應(yīng)。2.結(jié)合你所了解的氣象技術(shù)，論述大氣湍流研究對(duì)于風(fēng)能資源評(píng)估和風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的重要性，并指出當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方向。*解析思路：風(fēng)能資源評(píng)估：風(fēng)能的有效性不僅取決于平均風(fēng)速，更取決于風(fēng)速的穩(wěn)定性和湍流強(qiáng)度。低風(fēng)速下的強(qiáng)湍流（高湍流強(qiáng)度）會(huì)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率并增加機(jī)械磨損和損壞風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)場(chǎng)湍流特性（如湍流強(qiáng)度、尺度、譜特征）對(duì)于確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最佳安裝高度、選擇合適的機(jī)型、準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)電量和疲勞壽命至關(guān)重要。風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略（如偏航控制、槳距角控制）需要實(shí)時(shí)感知周圍風(fēng)向風(fēng)速的湍流變化，以減小載荷、提高發(fā)電效率。葉片設(shè)計(jì)也需要考慮湍流引起的氣動(dòng)載荷。當(dāng)前挑戰(zhàn)：精確、低成本、