2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——大氣湍流運(yùn)動與飛行安全考試時(shí)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(xiàng)字母填在括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是大氣湍流的主要物理特征？A.隨機(jī)變化的氣流速度B.各向同性的脈動C.能量在大小尺度間的傳遞D.持續(xù)穩(wěn)定的氣流2.導(dǎo)致大氣產(chǎn)生熱力湍流的主要原因是地表溫度的差異。A.正確B.錯誤3.在大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件下，地表產(chǎn)生的熱力湍流更容易向上發(fā)展。A.正確B.錯誤4.摩擦風(fēng)速廊線（如對數(shù)律）主要適用于哪一層大氣？A.湍流邊界層B.對流層頂C.平流層D.高空急流帶5.理查森數(shù)（Ri）主要用于判斷大氣的什么性質(zhì)？A.水汽含量B.溫度垂直遞減率C.氣流垂直運(yùn)動傾向D.湍流強(qiáng)度6.湍流強(qiáng)度通常用什么來表示？A.湍流尺度B.時(shí)均風(fēng)速C.風(fēng)速脈動標(biāo)準(zhǔn)差D.理查森數(shù)7.清空氣泡（CAT）通常發(fā)生在哪一種大氣層結(jié)條件下？A.強(qiáng)對流不穩(wěn)定B.慣性穩(wěn)定C.弱不穩(wěn)定，風(fēng)速垂直切變較大D.地表強(qiáng)加熱8.下列哪種湍流對飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響最為顯著？A.熱力湍流B.鋒面誘導(dǎo)湍流C.晴空湍流D.地形誘導(dǎo)湍流9.機(jī)載氣象雷達(dá)（PMD）主要用于探測哪種類型的湍流？A.鋒面過境時(shí)的強(qiáng)降水伴隨湍流B.大氣層結(jié)不穩(wěn)定發(fā)展出的上升氣流C.慣性穩(wěn)定層結(jié)下的小尺度渦旋D.飛機(jī)前方區(qū)域的小型晴空湍流10.湍流氣象圖上，通常用哪種顏色或符號表示湍流強(qiáng)度較大區(qū)域？A.綠色或白色B.藍(lán)色或黑色C.黃色或橙色D.紫色或棕色二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.大氣湍流的基本特征包括隨機(jī)變化的__________和__________，以及能量在各級尺度間的傳遞。2.湍流強(qiáng)度通常用風(fēng)速脈動的時(shí)間平均方根值除以__________來表示。3.當(dāng)大氣層結(jié)處于__________狀態(tài)時(shí)，有利于垂直發(fā)展和組織性強(qiáng)的對流產(chǎn)生，也常伴隨強(qiáng)烈的湍流。4.地表熱量差異引起的湍流，其能量主要來源于地表與大氣之間的__________交換。5.飛機(jī)在穿越晴空湍流（CAT）時(shí)，可能感受到的飛行擾動主要是__________和__________的周期性變化。6.摩擦風(fēng)速廊線在對數(shù)律適用的高度范圍內(nèi)，風(fēng)速隨高度增加而__________，風(fēng)速廊線的斜率主要取決于近地面的__________。7.湍流積分尺度是表征湍流渦旋__________的一個物理量，尺度越大，湍流影響范圍越廣。8.氣象傳真圖上，湍流預(yù)報(bào)通常使用__________陰影來表示不同等級的湍流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。9.飛行員通過分析飛行高度上的__________和__________信息，可以判斷是否存在晴空湍流風(fēng)險(xiǎn)。10.為了規(guī)避湍流風(fēng)險(xiǎn)，飛行員和空中交通管制員會利用湍流預(yù)報(bào)產(chǎn)品，結(jié)合飛行高度選擇、__________或__________等飛行操作程序。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述機(jī)械湍流的形成機(jī)制及其主要影響因素。2.湍流對飛機(jī)的氣動性能可能產(chǎn)生哪些主要影響？3.簡要說明理查森數(shù)（Ri）的物理意義及其在判斷大氣穩(wěn)定性與湍流發(fā)生傾向中的作用。4.飛機(jī)在執(zhí)行跨區(qū)域飛行任務(wù)時(shí)，通常會考慮哪些因素來評估和規(guī)避湍流風(fēng)險(xiǎn)？四、計(jì)算題（共15分）已知某高度處大氣層結(jié)參數(shù)為：溫度T=288K，高度z=5000m，地表溫度T地表=308K，地表氣壓P地表=1013hPa，該高度氣壓P=500hPa。假設(shè)該層大氣可視為干絕熱層結(jié)。請計(jì)算：（1）(5分)5000m高度處的大氣溫度T'。（2）(5分)5000m高度處的大氣靜力穩(wěn)定度（判斷是否穩(wěn)定，并說明理由）。（提示：可計(jì)算環(huán)境溫度直減率與干絕熱直減率的比較，或直接計(jì)算Ri，若Ri>0則穩(wěn)定，Ri<0則不穩(wěn)定）（3）(5分)若該高度風(fēng)速水平切變較小，摩擦力也相對忽略，試定性分析此時(shí)該高度是否更容易發(fā)生熱力湍流？并簡述原因。五、論述題（20分）結(jié)合你所學(xué)的知識，論述大氣湍流（特別是晴空湍流）對飛行安全的潛在威脅，并分析當(dāng)前航空業(yè)在湍流探測、預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避方面所采用的主要技術(shù)手段及其局限性。試卷答案一、選擇題1.D2.A3.A4.A5.C6.C7.C8.B9.D10.C二、填空題1.風(fēng)速，風(fēng)向2.平均風(fēng)速3.穩(wěn)定4.熱量5.橫向，垂向6.增大，粗糙度7.尺度8.橙色/棕色（或其他表示強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的顏色）9.溫度，風(fēng)向風(fēng)速10.機(jī)動改航，高度調(diào)整三、簡答題1.解析思路：首先定義機(jī)械湍流是由大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)切變或地表粗糙度引起。然后解釋其形成機(jī)制：風(fēng)切變（不同高度風(fēng)速差異導(dǎo)致的水平動量交換）或地表粗糙度（地表摩擦使近地氣流動能增大并向上傳輸）。最后說明影響因素，主要是地表性質(zhì)（粗糙度）、地形（山地、丘陵）以及風(fēng)速梯度。答案要點(diǎn)：機(jī)械湍流由大氣邊界層內(nèi)的水平風(fēng)切變或地表粗糙度引起。風(fēng)切變導(dǎo)致不同高度風(fēng)速差異，產(chǎn)生水平動量交換形成湍流；地表粗糙度使近地面風(fēng)速減小，動能向高層傳輸，形成湍流。主要影響因素包括地表性質(zhì)（粗糙度）、地形和風(fēng)速垂直切變。2.解析思路：從飛機(jī)受力和運(yùn)動角度分析。首先，湍流導(dǎo)致風(fēng)速、風(fēng)向的急劇變化，進(jìn)而引起飛機(jī)升力、阻力、側(cè)力、滾轉(zhuǎn)力矩的隨機(jī)波動。其次，這些力矩的變化導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生抖振，影響乘客舒適度。再次，持續(xù)或強(qiáng)烈的湍流可能超出飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷，對結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷甚至破壞。最后，短時(shí)強(qiáng)風(fēng)或風(fēng)切變可能影響飛機(jī)的垂直速度和姿態(tài)，增加操縱難度，影響導(dǎo)航精度。答案要點(diǎn)：湍流引起飛機(jī)氣動載荷（升力、阻力、側(cè)力、力矩）隨機(jī)波動，產(chǎn)生氣動抖振，影響舒適度；可能超出設(shè)計(jì)載荷，損害結(jié)構(gòu)；短時(shí)強(qiáng)風(fēng)或風(fēng)切變影響垂直速度、姿態(tài)和導(dǎo)航精度。3.解析思路：首先解釋Ri的定義：Ri=N2/|du/dz|2，其中N是布儒斯特?cái)?shù)（代表環(huán)境大氣穩(wěn)定度），du/dz是風(fēng)速垂直梯度。然后說明其物理意義：Ri反映了重力慣性力與摩擦力（或風(fēng)剪切力）的相對大小。最后闡述其在判斷穩(wěn)定性和湍流傾向中的作用：Ri>0表示重力慣性力占優(yōu)，大氣穩(wěn)定，通常抑制湍流發(fā)展；Ri<0表示摩擦力（或剪切力）占優(yōu)，大氣不穩(wěn)定，有利于湍流發(fā)展；Ri≈0是過渡區(qū)域。特別是在近地面層，Ri的符號和大小與機(jī)械湍流的發(fā)生密切相關(guān)。答案要點(diǎn)：理查森數(shù)（Ri）是衡量重力慣性力與摩擦力（或風(fēng)剪切力）相對大小的一個參數(shù)。Ri>0表示大氣穩(wěn)定，不利于湍流發(fā)展；Ri<0表示大氣不穩(wěn)定或不穩(wěn)定層結(jié)，有利于湍流發(fā)展。在近地面層，Ri的符號尤其重要，可判斷機(jī)械湍流的發(fā)生傾向。4.解析思路：從信息獲取、評估和行動決策角度展開。首先，飛行員需要獲取湍流預(yù)報(bào)信息（如氣象圖、預(yù)報(bào)產(chǎn)品）、實(shí)時(shí)的氣象雷達(dá)探測信息（QPE/QTE）、飛行高度上的氣象參數(shù)（溫度、風(fēng)向風(fēng)速）以及歷史經(jīng)驗(yàn)。其次，需要評估湍流的風(fēng)險(xiǎn)等級、類型和強(qiáng)度，結(jié)合飛機(jī)性能、載重、航線規(guī)劃進(jìn)行綜合判斷。最后，根據(jù)評估結(jié)果采取規(guī)避措施，如選擇合適的飛行高度層、調(diào)整飛行速度、利用機(jī)動改航（如坡度變化）穿越、必要時(shí)請求繞飛或備降。答案要點(diǎn)：獲取湍流信息（預(yù)報(bào)、雷達(dá)、實(shí)況、經(jīng)驗(yàn)）；評估風(fēng)險(xiǎn)（等級、類型、強(qiáng)度）；結(jié)合飛機(jī)性能和航線規(guī)劃綜合判斷；采取規(guī)避措施（選擇高度、調(diào)整速度、機(jī)動改航、繞飛或備降）。四、計(jì)算題（1）解析思路：應(yīng)用干絕熱遞減率公式。干絕熱遞減率γd≈9.8K/km。從地表到5000m，溫度下降T下降=γd*高度差=9.8K/km*5km=49K。因此，5000m處溫度T'=地表溫度T地表-T下降=308K-49K=259K。答案：T'=259K（2）解析思路：計(jì)算環(huán)境溫度直減率Γ。環(huán)境溫度T環(huán)境=T'=259K。地表溫度T地表=308K。高度差Δz=5000m。Γ=(T地表-T環(huán)境)/Δz=(308K-259K)/5000m=49K/5000m=0.0098K/m。干絕熱直減率γd=9.8K/km=0.0098K/m。比較Γ和γd，發(fā)現(xiàn)Γ=γd。因此，該層大氣處于中性層結(jié)。根據(jù)Ri定義，若為中性層結(jié)，則N2≈0，Ri≈0。Ri=0時(shí)不穩(wěn)定，但通常認(rèn)為接近中性的層結(jié)是湍流發(fā)生發(fā)展的有利條件之一。若嚴(yán)格按Ri>0為穩(wěn)定，Ri<0為不穩(wěn)定，則中性（Ri=0）本身不直接指示穩(wěn)定或不穩(wěn)定，但此處計(jì)算結(jié)果為0。根據(jù)提示，若Ri>0則穩(wěn)定，Ri<0則不穩(wěn)定，本例Ri=0，可認(rèn)為接近穩(wěn)定或?qū)咏Y(jié)尚不穩(wěn)定但已接近臨界。更傾向于認(rèn)為該中性層結(jié)是湍流發(fā)展的潛在環(huán)境。但按最嚴(yán)格的定義，Ri=0不直接等于穩(wěn)定。答案：環(huán)境溫度直減率Γ=0.0098K/m，等于干絕熱直減率γd=0.0098K/m。因此，該高度處大氣層結(jié)處于中性狀態(tài)。根據(jù)Ri判別，若Ri>0為穩(wěn)定，Ri<0為不穩(wěn)定，Ri=0時(shí)不穩(wěn)定。但中性層結(jié)本身是湍流發(fā)展的潛在環(huán)境。按提示，可認(rèn)為該層結(jié)不穩(wěn)定或接近不穩(wěn)定。（3）解析思路：分析熱力湍流形成的條件。熱力湍流源于地表加熱不均或大氣層結(jié)不穩(wěn)定。本題中，5000m高度層結(jié)為中性，本身不是強(qiáng)不穩(wěn)定條件。但題目設(shè)定“風(fēng)速水平切變較小，摩擦力也相對忽略”，這意味著水平動量交換受限，不利于機(jī)械湍流發(fā)展。然而，中性層結(jié)下，若存在較小的垂直風(fēng)切變或存在波動，仍可能發(fā)展小尺度湍流。但更重要的是，熱力湍流的形成還與低層是否有加熱差異或不穩(wěn)定層結(jié)存在有關(guān)。題目未提供足夠信息判斷低層情況。但若假設(shè)該中性層處于一個更大的不穩(wěn)定背景下（例如，下方有不穩(wěn)定層，5000m是中性逆溫層），或者存在小的地表加熱差異，那么即使在中性層內(nèi)也可能發(fā)生熱力湍流。題目問“更容易”，在此假設(shè)下，可以論述中性層結(jié)對湍流發(fā)展的“容納”能力，即雖然不是最強(qiáng)烈的條件，但相對穩(wěn)定層結(jié)可能更有利于湍流維持或發(fā)展?；蛘邚哪芰拷嵌瓤?，即使摩擦忽略，重力波破碎等也可能在中性層產(chǎn)生湍流。答案：定性分析較為復(fù)雜。嚴(yán)格來說，中性層結(jié)本身不是熱力湍流強(qiáng)發(fā)區(qū)。但若假設(shè)該5000m中性層處于更大的不穩(wěn)定背景下（如下方不穩(wěn)定層），或存在小的地表加熱差異，則該高度仍可能發(fā)生熱力湍流。題目條件“風(fēng)速水平切變較小，摩擦力忽略”排除了強(qiáng)烈的機(jī)械湍流。相對穩(wěn)定層結(jié)可能“容納”由低層傳遞上來的能量或波動，或者重力波破碎等過程在中性層也可能產(chǎn)生湍流。因此，不能簡單斷言更容易發(fā)生，但中性層結(jié)在特定條件下（如作為逆溫層或處于不穩(wěn)定背景中）可能比更穩(wěn)定的層結(jié)更容易維持或發(fā)展湍流。五、論述題解析思路：此題要求全面、深入地結(jié)合理論與實(shí)踐。首先，從物理機(jī)制上闡述湍流（特別是CAT）如何通過空氣動力學(xué)直接威脅飛行安全（結(jié)構(gòu)載荷、抖振、操縱難度）。其次，分析湍流對乘客舒適度、航空器設(shè)備（特別是精密儀器）的影響。再次，重點(diǎn)論述當(dāng)前探測技術(shù)（氣象雷達(dá)QPE/QTE的原理、局限性如探測距離、精度、對CAT的敏感性）和預(yù)報(bào)技術(shù)（NWP模式、統(tǒng)計(jì)外推、TAF等產(chǎn)品的應(yīng)用、預(yù)報(bào)時(shí)效和準(zhǔn)確性的挑戰(zhàn)）。最后，總結(jié)規(guī)避措施（飛行高度選擇策略、航路設(shè)計(jì)、飛行操作程序如機(jī)動改航、機(jī)載防抖系統(tǒng)、飛行員培訓(xùn)與決策）的有效性及面臨的挑戰(zhàn)（如預(yù)報(bào)不確定性、CAT的突發(fā)性和預(yù)測難度），并提出未來發(fā)展方向（更高分辨率NWP、多源數(shù)據(jù)融合、人工智能應(yīng)用等）。答案要點(diǎn)（結(jié)構(gòu)化）：*湍流威脅飛行安全的表現(xiàn)：*氣動影響：升力、阻力、力矩劇烈波動；飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受動載荷，產(chǎn)生疲勞，極端情況下可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷；強(qiáng)烈抖振影響乘客舒適度，嚴(yán)重時(shí)可能損傷設(shè)備或危及安全；風(fēng)切變干擾飛機(jī)姿態(tài)和高度控制，增加操縱難度。*設(shè)備影響：對導(dǎo)航、通信、自動駕駛等精密電子設(shè)備產(chǎn)生干擾或損壞。*舒適度影響：引起乘客不適，甚至恐慌。*當(dāng)前湍流探測技術(shù)：*機(jī)載氣象雷達(dá)（PMD）：原理（多普勒效應(yīng)探測回波強(qiáng)度變化）；主要探測地形和降水伴隨的強(qiáng)湍流，對CAT等弱小尺度湍流探測能力有限；QPE/QTE：原理（利用雷達(dá)回波粒子相干性探測風(fēng)場脈動）；優(yōu)勢（可探測無降水區(qū)域的CAT）；局限性（受粒子分布影響，距離衰減快，精度有限，對弱湍流敏感度仍需提高）。*當(dāng)前湍流預(yù)報(bào)技術(shù)：*數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）：模式原理（求解大氣控制方程）；提供高空風(fēng)場、溫度場信息，用于計(jì)算大氣穩(wěn)定度參數(shù)和潛在湍流區(qū)域；局限性（分辨率限制導(dǎo)致對小尺度湍流（如CAT）預(yù)報(bào)能力弱，預(yù)報(bào)時(shí)效有限）。*統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)/客觀分析：利用歷史數(shù)據(jù)和外場信息進(jìn)行外推或概率預(yù)報(bào)。*湍流預(yù)報(bào)產(chǎn)品（如TAF）：提供未來特定航線上不同高度湍流風(fēng)險(xiǎn)等級和類型，是飛行決策依據(jù)。*湍流風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施：*信息利用：綜合運(yùn)用預(yù)報(bào)、實(shí)況探測（雷達(dá)QPE/QTE）信息。*航路設(shè)計(jì)：規(guī)劃避開已知湍