2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——大氣渦流：氣象氣流動(dòng)力學(xué)的研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在氣象學(xué)中，渦度通常被定義為（）的旋轉(zhuǎn)程度。A.氣流速度B.氣壓梯度C.地轉(zhuǎn)偏向力D.氣塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)2.絕對(duì)渦度等于（）。A.相對(duì)渦度加地轉(zhuǎn)渦度B.相對(duì)渦度減地轉(zhuǎn)渦度C.地轉(zhuǎn)渦度減摩擦渦度D.相對(duì)渦度加摩擦渦度3.在地轉(zhuǎn)平衡近似下，氣流的水平絕對(duì)渦度（）。A.總是正值B.總是負(fù)值C.恒等于零D.可正可負(fù)，但保持不變4.摩擦力對(duì)大氣渦度的影響通常是（）。A.增大絕對(duì)渦度B.減小絕對(duì)渦度C.僅改變相對(duì)渦度D.不改變渦度5.氣流的輻合通常會(huì)（）。A.增大氣流的絕對(duì)渦度B.減小氣流的絕對(duì)渦度C.引起水平動(dòng)量的垂直輸送D.導(dǎo)致氣壓場(chǎng)的迅速變化6.氣旋系統(tǒng)（低壓系統(tǒng)）在北半球（）。A.表現(xiàn)為正渦度B.表現(xiàn)為負(fù)渦度C.絕對(duì)渦度為零D.相對(duì)渦度最大7.根據(jù)渦度動(dòng)力學(xué)方程，氣流的平流項(xiàng)會(huì)引起（）。A.絕對(duì)渦度的變化B.相對(duì)渦度的變化C.地轉(zhuǎn)偏向力的變化D.摩擦力的變化8.大氣中摩擦作用的主要影響是（）。A.增大地轉(zhuǎn)參數(shù)B.減小風(fēng)速C.使絕對(duì)渦度接近相對(duì)渦度D.導(dǎo)致氣流的輻散9.渦度的單位通常用（）表示。A.米/秒B.帕/秒C.弧度/秒D.千帕/米10.理解大氣渦度對(duì)于解釋?zhuān)ǎ┑痊F(xiàn)象至關(guān)重要。A.氣壓變化B.大型天氣系統(tǒng)的移動(dòng)C.氣溫垂直分布D.地球自轉(zhuǎn)二、填空題（每空1分，共15分）1.渦度是一個(gè)描述流體運(yùn)動(dòng)______的物理量。2.正渦度表示氣塊的旋轉(zhuǎn)方向是______。3.地轉(zhuǎn)渦度是由地球自轉(zhuǎn)和氣壓梯度力共同作用產(chǎn)生的______渦度。4.摩擦渦度是由于地面摩擦力對(duì)氣流產(chǎn)生的______渦度。5.絕對(duì)渦度是氣塊相對(duì)于______的渦度。6.大氣渦度動(dòng)力學(xué)方程描述了渦度隨______和時(shí)間的變化關(guān)系。7.氣流的輻合帶會(huì)導(dǎo)致空氣______，可能形成上升氣流。8.在中緯度地區(qū)，地轉(zhuǎn)參數(shù)f的符號(hào)是______。9.氣旋的旋轉(zhuǎn)方向在北半球是______。10.渦度的散度與氣流的______有關(guān)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述絕對(duì)渦度、相對(duì)渦度和地轉(zhuǎn)渦度之間的關(guān)系。2.解釋摩擦力是如何影響近地面氣流的渦度場(chǎng)的。3.為什么氣旋和反氣旋的天氣現(xiàn)象與渦度的正負(fù)值密切相關(guān)？4.簡(jiǎn)述渦度方程中各項(xiàng)的物理意義。四、計(jì)算題（共25分）1.（10分）假設(shè)一氣塊在北半球以10米/秒的速度沿正北方向運(yùn)動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)角速度為7.29×10^-5弧度/秒。求該氣塊的地轉(zhuǎn)渦度和相對(duì)渦度（假設(shè)氣塊本身不旋轉(zhuǎn)，即相對(duì)渦度為零）。2.（15分）考慮一維氣流，風(fēng)速u(mài)隨高度z線性增加，u=U*z/H，其中U為地面風(fēng)速，H為混合層高度。假設(shè)地面摩擦速度為u*,氣流為穩(wěn)定層結(jié)。請(qǐng)推導(dǎo)該情況下近地面層的風(fēng)速剖面和絕對(duì)渦度剖面表達(dá)式。五、分析題（共20分）1.（20分）描述一下溫帶氣旋生命循環(huán)過(guò)程中，氣流輻合、輻散以及渦度（正渦度和負(fù)渦度）分布的典型變化特征。分析這些變化在氣旋發(fā)展和移動(dòng)中的作用。試卷答案一、選擇題1.A2.A3.A4.B5.A6.B7.A8.C9.C10.B二、填空題1.角動(dòng)量2.逆時(shí)針3.絕對(duì)4.增大（或產(chǎn)生）5.地球參考系（或慣性參考系）6.空間7.抽流8.正9.逆時(shí)針10.散度三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：絕對(duì)渦度是氣塊相對(duì)于地球慣性參考系的渦度，等于相對(duì)渦度（氣塊相對(duì)于旋轉(zhuǎn)地球的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦度）與地轉(zhuǎn)渦度（氣塊隨地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦度）之和。即：絕對(duì)渦度=相對(duì)渦度+地轉(zhuǎn)渦度。2.解析思路：摩擦力使近地面氣流速度減小，并使得氣流方向偏向低壓中心（北半球）。這種減速和偏向改變了氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生或增大了負(fù)的相對(duì)渦度。同時(shí)，摩擦力做負(fù)功，消耗動(dòng)能，部分轉(zhuǎn)化為熱能，也間接影響渦度?？偟膩?lái)說(shuō)，摩擦力傾向于減小近地面的絕對(duì)渦度，尤其是在輻合帶。3.解析思路：氣旋是低壓系統(tǒng)，中心氣壓低，四周氣壓高，水平氣流由四周流向中心，形成輻合，導(dǎo)致空氣上升，常伴隨氣旋性渦旋（北半球逆時(shí)針，表現(xiàn)為負(fù)渦度或正的絕對(duì)渦度）。反氣旋是高壓系統(tǒng)，中心氣壓高，四周氣壓低，水平氣流由中心流向四周，形成輻散，導(dǎo)致空氣下沉。氣旋的移動(dòng)和強(qiáng)度變化與其內(nèi)部正負(fù)渦度的配置和演變密切相關(guān)，負(fù)渦度（氣旋性渦度）是其主要特征。反氣旋則相反。4.解析思路：渦度動(dòng)力學(xué)方程是描述渦度場(chǎng)演變的核心方程。其各項(xiàng)代表了不同物理過(guò)程對(duì)渦度的影響：平流項(xiàng)代表氣流本身輸送渦度；地轉(zhuǎn)項(xiàng)（或科里奧利項(xiàng)的一部分）代表地轉(zhuǎn)力對(duì)渦度的影響；摩擦項(xiàng)代表地面摩擦對(duì)渦度的耗散作用；輻合/輻散項(xiàng)（與垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)）代表氣流的垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)渦度的影響（通過(guò)改變絕對(duì)渦度）。方程揭示了渦度隨時(shí)間和空間位置變化的原因。四、計(jì)算題1.解析思路：地轉(zhuǎn)渦度ω_g=2f*u/L，其中f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，u為緯向風(fēng)速（此處為北向運(yùn)動(dòng)可視為水平分量），L為經(jīng)度（近似為地球半徑R*cosφ，但在小角度近似下可視為常數(shù)，或直接用f=2Ωsinφ，φ為緯度）。相對(duì)渦度ω_r=du/dz。此處u=10m/s，沿北向，f=2*7.29*10^-5rad/s*sin(北半球緯度φ)。相對(duì)渦度為零，因?yàn)闅鈮K本身不旋轉(zhuǎn)。答案：地轉(zhuǎn)渦度ω_g=2*7.29*10^-5rad/s*10m/s/L(L為參考長(zhǎng)度，若無(wú)具體L，則表達(dá)式為1.458*10^-4*10/L=1.458*10^-3/Lrad/s)。相對(duì)渦度ω_r=0。2.解析思路：絕對(duì)渦度ω_a=2f*u/L。將u=U*z/H代入，得到ω_a=2f*(U*z/H)/L=(2fU/H)*(z/L)。由于風(fēng)速U與高度成正比，地轉(zhuǎn)參數(shù)f也隨緯度變化，但此處假設(shè)f為常數(shù)，所以絕對(duì)渦度隨高度z線性增加。近地面層，風(fēng)速受摩擦影響，風(fēng)速剖面呈指數(shù)增長(zhǎng)形式u=u**ln(z/z0)，其中u*為摩擦速度，z0為粗糙度長(zhǎng)度。代入絕對(duì)渦度公式，ω_a=2f*u*/(L*ln(z/z0))。風(fēng)速隨高度增加，絕對(duì)渦度也隨高度增加。五、分析題1.解析思路：溫帶氣旋發(fā)展過(guò)程：*初始階段：存在弱的正渦度擾動(dòng)，或冷暖平流導(dǎo)致小范圍不穩(wěn)定，氣流開(kāi)始輻合上升，正渦度區(qū)加強(qiáng)，負(fù)渦度區(qū)（圍繞正渦度區(qū)）也隨之發(fā)展。*發(fā)展增強(qiáng)階段：氣旋中心氣壓下降，輻合加強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，正渦度中心加深、擴(kuò)大。氣旋后部（暖平流區(qū)）的暖平流加速了正渦度的生成和加強(qiáng)。氣旋前部（冷平流區(qū)）的冷平流和下沉運(yùn)動(dòng)抑制了正渦度，但正渦度舌仍會(huì)向前伸展。氣旋整體向負(fù)渦度區(qū)（暖脊）移動(dòng)。*成熟階段：氣旋達(dá)到最大強(qiáng)度，中心附近正渦度值最大，負(fù)渦度區(qū)（暖脊）也相應(yīng)發(fā)展。水平風(fēng)速最大，天氣惡劣。垂直運(yùn)動(dòng)旺盛，水汽凝結(jié)，降水強(qiáng)烈。*消亡階段：氣旋移向colder、drier或更有組織的負(fù)渦度背景區(qū)（例如，大陸上空或與更強(qiáng)冷渦合并時(shí)）。暖脊前傾