成都信息工程学院 动力气象作业答案

第一章大气边界层2.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处，，试求风随高度的分布。

解：∵∴∴∴…………①对①式积分3.已知由于湍流摩擦引起的边界层顶部的垂直速度为（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的公式。

（2）若湍流系数k=8m2/s，f=10-4s-1，涡旋顶部w=0的高度为10km，试计算为多少？解：（1）正压大气的涡度方程简化形式：设∴…………①当z=H时对①积分∵f为常数∴∴∴∴（2）∵k=8m2/s f=10-4s-1H=10km∴6.在某地测定平均风速随高度的分布，得到如下结果，假定风速分布对数规律，试计算z0，u及T0（去卡曼常数为0.40）。

高度（m）7 2 0.30 0.04平均风速（m/s）3.92 3.30 2.40 1.41解：引入对数坐标系令得出右表：则通过带入前两组值∴（m）（m/s）15.在定常、均匀的气流中，铅直方向处于静力平衡的空气质点受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和水平摩擦力的作用，假定后者与风速矢方向相反、大小成比例，试求风压场之间的关系，并作图说明。

解：∵定常均匀的流场满足静力平衡即：∴第二章大气能量学z 7 2 0.300.04x 3.92 3.30 2.40 1.41y 1.9460.693-1.204-3.219科氏湍流摩气压梯度1.推出Ekman 层中动能消耗公式。

解：Ekman 层中与不平衡，存在，大尺度运动中，空气微团做准水平运动，所以用p 坐标。

F V k f dtd +∧-Φ-∇= ①对①两边同点乘V ，得D V F V V dtd -Φ∇⋅-=⋅+Φ∇⋅-= ②y x vF uF y p v x p u dt k d ++∂∂+∂∂-=)(1ρ 摩擦耗散项：vF uF Dx +=- ③在Ekman 层中，湍流粘性力耗散动能所以，zT F zT F zyy zxx ∂∂=∂∂=ρρ11 ④⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂=∂∂∂∂=-=∂∂=∂∂∂∂=-=zvk z v z u l v w T z uk z u z u l u w T zzy zzx ρρρρρρ22'''''' 代入④式所以，)()(zvk z F zu k z F z y z x∂∂=∂∂=∂∂=∂∂=对于单位截面积气柱，从地面到边界层顶的动能耗散为D ∆dz dz v d vk dz u d uk dz z v k z v z u k zu B Bh h z z D ρρ⎰⎰+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂+∂∂∂∂=∆022220)()()( ⑤ 在Ekman 层中，设0=gV ，风速与x 轴平行，三力平衡⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂+-∂∂-=∂∂++∂∂-=22221010z v k fu y p zuk fv x p z z ρρ 且⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂--=∂∂-ggfu ypfv x pρρ11得：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=∂∂-=∂∂)(2222g z zu u f z vk fv zuk ⑥将⑥代入⑤中， ⎰-=∆B h g D dz v fu 0ρ ⑦令const u g=，利用Ekman 层中的风俗分布表达式：⎪⎩⎪⎨⎧=-=--rze v v rz e u u rzg rzg sin )cos 1( ⑧ 将⑧代入⑦中，⎰--=∆Bh rz g D rzdz e fu 02sin ρ因为rh B π=所以)1(22+-=∆-ππρe h u f Bg D动能消耗将⑧代入，得⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=+=-⎰πρρπ2)1(121)(2122022e h u dz v u K B g h D B2.简述发展槽在实际大气能量转换中的作用。

成都信息工程学院大气科学学院《动力气象提高》教学资料－典型题分析（补充）一、方程组、坐标系、平衡运动1、 证明满足准静力平衡关系的正压大气中水平气压梯度力不随高度变化。

2、 证明静力平衡条件下，地转风随高度的变化为ln gp V gk z fθ∂=−∇×∂3、 试推出热成风方程，并说明它在实际天气诊断分析中的应用。

4、 证明σ系中的运动方程组为ln ln s x s y p du RT fv D dt x xp dv RT fu D dt y yφφ∂∂=−−++∂∂∂∂=−−−+∂∂并说明此坐标系在数值预报中的应用及其优缺点。

5、 试写出z 坐标系和p 坐标系中的大气运动方程组，并说明这两种坐标系在描述大气运动时的优缺点。

二、运动方程的变形1、在绝热、无摩擦的自由大气中，运动满足下列方程组0()()()0gg g g V f f t pV t p p ζωζφφσω∂∂+⋅∇+=∂∂∂∂∂+⋅∇+=∂∂∂σ是静力稳定度，它不随x，y，t 变化。

试证明有位涡度01(g q f f p pφζσ∂∂=++∂∂守恒，并说明上述方程组在数值预报中的应用。

2、s σ为常数，由绝热准地转方程组推导位势倾向方程和ω方程。

3、 有如下形式的位势倾向方程222221()(,)(,f f J f J p t f p pφφφφφσσ∂∂∂∂∇+=−∇+−∂∂∂∂ （1） 推导上式用了哪些假定？（2） 讨论各项的物理意义？ 4、 有如下形式的ω方程2222200211[()][()]g g f f V f V p p f p ωφωφσσσ∂∂∂∇+=⋅∇∇++∇⋅∇−∂∂∂ （1） 推导上式时用了哪些假定？（2） 上式中各项意义如何？（1）答： 无摩擦近似；准静力平衡近似； 大尺度零级近似；准地转近似； β－平面近似； 绝热近似：静力稳定度σ取常数近似。

5、 给出无因次方程：0[()]h h V WR V S v f V L tH ζζβ∂+⋅∇+=−∇⋅∂ （1） 说出上式推导得到的主要步骤（S=L/a，a 为地球半径）。

1. 假定对流层顶高度为H ，对流层中的温度随高度线性递减(TT =TT 0−γγγγ)，对流层顶以上温度随高度不变，大气满足静力平衡条件，试求单位截面积自海平面延伸至大气上界整个气柱中的内能、位能、全位能。

解：大气温度的垂直分布为：00,0,T z z H T T H z Hγγ−≤≤ = −>由静力方程和状态方程，可以得到：000,,R g H H Hp T p p p T p T p p γ<< = <因为0*0p vc I Tdp g=∫，0*0p R Tdp g Φ=∫，***P I =+Φ，所以：0*000H H R g p p v H p c p I T dp T dp g p γ=+∫∫ ()00vH HH H c g T p T p T p gg R γ−+ + 00v H H c R T p T p g R g γγ+ +**00H H v R RR I T p T p c g R g γγΦ==+ +***00pH H c R P I T p T p g R g γγ =+Φ=+ +2. 试证明全位能平衡方程有以下形式，其中pp 00=1000ℎPPPP 。

/*00pR c p M M Ep d dM c dM t p dtθωα ∂=+ ∂∫∫解：全位能平衡方程为：*MME dM Q dM tωα∂=+∂∫∫热力学能量方程为：ln 1p d Q dt c Tθ=因为：00pR c p T p θ=所以：111000pR c p p d Q T dt c Tθ =即：1000pR c p p d Q c dtθ =所以全位能平衡方程为：/*00pR c p M M E p d dM c dM tp dtθωα∂=+ ∂∫∫3. 利用上题证明有效位能平衡方程有以下形式：*1p Rc M M A pdM Q dM t p ωα ∂ =+− ∂ ∫∫其中，pp̅为大气参考状态（有效位能为零）时的气压，试讨论方程右端两项的物理意义。

“动力气象学”问题讲解汇编徐文金(南京信息工程大学大气科学学院)本讲稿根据南京信息工程大学“动力气象学”学位考试大纲（以下简称为大纲）要求的内容，以问答形式编写，以便学习者能更好地掌握“动力气象学”中的重要问题和答案。

主要参考书为：动力气象学教程，吕美仲、候志明、周毅编著，气象出版社，2004年。

本讲稿的章节与公式编号与此参考书一致（除第五章外）。

第二章（大纲第一章） 描写大气运动的基本方程组问题2.1 大气运动遵守那些定律？并由这些定律推导出那些基本方程？大气运动遵守流体力学定律。

它包含有牛顿力学定律，质量守恒定律，气体实验定律，能量守恒定律，水汽守恒定律等。

由牛顿力学定律推导出运动方程（有三个分量方程）、由质量守恒定律推导出连续方程、由气体实验定律得到状态方程、由能量守恒定律推导出热力学能量方程、由水汽守恒定律推导出水汽方程。

这些方程基本上都是偏微分方程。

问题2.2何谓个别变化？何谓局地变化？何谓平流变化？及其它们之间的关系？ 表达个别物体或系统的变化称为个别变化，其数学符号为dtd ，也称为全导数。

表达某一固定地点某一物理量变化称为局地变化，其数学符号为t ∂∂，也称为偏导数。

表达由空气的水平运动（输送）所引起的局地某物理量的变化称为平流变化，它的数学符号为∇⋅-V ρ。

例如，用dt dT 表示个别空气微团温度的变化，用tT ∂∂表示局地空气微团温度的变化。

可以证明它们之间有如下的关系z T w T V dt dT t T ∂∂-∇⋅-=∂∂ρ （2.4） 式中V ρ为水平风矢量，W 为垂直速度。

（2.4）式等号右边第二项称为温度的平流变化（率），第三项称为温度的对流变化（率）或称为垂直输送项。

问题2.3何谓绝对坐标系？何谓相对坐标系？何谓绝对加速度？何谓相对加速度？何谓牵连速度？绝对坐标系也称为惯性坐标系，可以想象成是绝对静止的坐标系。

而相对坐标系则是非惯性坐标系，例如，在地球上人们是以跟随地球一起旋转的坐标系来观测大气运动的，这种旋转的坐标系就是相对坐标系。

南京信息工程大学《动力气象学》复习重点（上）《动力气象学》复习重点Char1 大气运动的基本方程组1、旋转参考系（1）运动方程 p dt V d ++?-?-=21ρ（2）连续方程 0=??+V dtd ρ ▽·V 为速度散度，代表气团体积的相对膨胀率。

体积增大时，（▽·V>0），密度减小；体积减小时，（▽·V<0），密度增大。

0=??+dtd ρρ ▽·(ρV ) 为质量散度，代表单位时间单位体积内流体质量的流入流出量。

流入时▽·(ρV ) <0，密度增大；流出时▽·(ρV ) >0，密度减小。

（3）热力学能量方程 Q dtd p dt d c v =+ 内能变化率+压缩功率=加热率 Q dtd dt d c p =-α α=1/ρ2、局地直角坐标系（z 坐标系）中的基本方程组111()0ln ,,x y z v p du p fv F dt x dv p fu F dt y dw p g F dt z d u v w dt x y z p RT dT d dT dP d c p Q c a Q Q dt dt dt dt dtρρρρρραθ??=-++=--+=--++++=?????=??+=-==?? 运动方程、连续方程、能量方程是预报方程，状态方程是诊断方程。

3、p 坐标系中的基本方程组-=?Φ?=-??+??+??=??+??+??-?Φ?-=+?Φ?-=p RT pc Q S y T v x T u tT py u x u fu y dtdv fv x dtdu p p ωω04、p 坐标系的优缺点优点：p 坐标系中的运动方程组不再出现密度ρ；连续方程形式简单，与不可压缩流体的连续方程形式相当；由于日常工作采用等压面分析法，用p 坐标系方程组可以方便的进行诊断分析。

缺点：地形起伏的地区p 坐标系很难给出正确的边界条件；对于小尺度运动不满足静力平衡，不能用p 坐标系。

绪论单元测试1【多选题】(2分)不同于普通流体，地球大气有哪些基本特征?A.受到重力场作用B.具有上下边界C.密度随高度变化D.旋转流体2【多选题】(2分)中纬度大尺度大气运动的特点包括A.准地转B.准水平无辐散C.准静力D.准水平3【单选题】(2分)以下哪种波动的发现及其深入研究，极大地推动了天气预报理论和数值天气预报的发展？A.惯性波B.声波C.重力波D.Rossby波4【判断题】(2分)动力气象学的发展与数学、物理学及观测技术的发展密不可分。

A.错B.对【判断题】(2分)大气运动之所以复杂，其中一个原因是其运动具有尺度特征，不同尺度的运动控制因子不同。

A.对B.错第一章测试1【单选题】(2分)以下关于惯性坐标系，的说法是A.惯性坐标系也称为静止坐标系B.惯性坐标系的垂直坐标轴与地球旋转轴重合C.惯性坐标系下测得的风速是地球大气相对于旋转地球的相对速度D.惯性坐标系不随地球旋转2【单选题】(2分)关于科里奥利力，以下的说法是A.只有当气块具有相对地球的运动速度时，科氏力才会起作用B.在全球大气的运动中，科里奥利力均使得大气运动方向右偏C.科里奥利力不会改变运动的大小D.科里奥利力是大气涡旋运动产生的原因之一3【多选题】(2分)物理量S(x,y,z,t)能够替代z作为垂直坐标需要满足哪些条件A.只要物理量S是z的函数即可B.S与z有一一对应关系C.要求S在大气中有物理意义D.需要满足一定的数学基础和物理基础4【多选题】(2分)通过Boussinesq近似方法简化大气运动方程组，可得如下哪些结论A.水平运动方程中必须保留扰动密度的作用B.垂直运动方程中与重力相联系的项要考虑密度扰动作用C.连续方程中可不考虑扰动密度的影响，与不可压流体的连续方程形式相同D.大气密度的扰动变化，对垂直运动有较大影响5【多选题】(2分)Rossby数的物理意义包括A.Rossby数的大小可用于划分运动的尺度B.表征地球旋转的影响程度C.判别摩擦力的相对重要性D.判别相对涡度和牵连涡度的相对重要性第二章测试1【多选题】(2分)下面哪些变量可以描述大气旋转性特征A.涡度B.螺旋度C.环流D.散度2【多选题】(2分)在什么情况下，绝对环流是守恒的A.绝热无辐散大气B.绝热无摩擦大气C.正压无摩擦大气D.无摩擦无辐散大气3【单选题】(2分)对于中纬度大气的平均状况而言，从对流层低层向上到平流层，位势涡度会发生怎样的变化A.位涡在对流层顶附近会迅速增加B.位涡不会有明显变化C.位涡会在对流层迅速减少D.位涡会在对流层迅速增加4【单选题】(2分)对大尺度运动，引起绝对涡度变化的量级最大的项为A.扭转项B.力管项C.散度项D.平流项5【单选题】(2分)通常在大气中，非绝热加热在热源上方和下方分别会产生哪种位涡异常A.负，正B.负，负C.正，负D.正，正第三章测试1【多选题】(2分)地转偏差随纬度和季节变化的特征有A.夏季比冬季大B.在低纬度地区相对较大C.在中纬度地区相对较大D.在大气低层相对较大2【多选题】(2分)下列关于地转偏差的表述正确的是A.在北半球与加速度方向垂直B.与加速度项成正比C.在北半球指向加速度方向右侧D.与柯氏参数成正比3【单选题】(2分)下面哪项不是地转偏差的组成项A.流线曲率项气压梯度项C.局地变压项D.垂直切变项4【单选题】(2分)下面关于地转适应和地转演变的说法的是A.地转演变是慢过程B.地转适应可以看成线性过程C.地转适应是快过程D.地转演变可以看成线性过程5【多选题】(2分)以下正确的说法是A.流场和气压场相互调整，使得大气恢复准地转平衡的过程称作地转适应对于天气尺度运动，地转偏差与地转风量级相同C.纯地转运动是定常运动D.准地转运动是定常运动第四章测试1【单选题】(2分)浪花云是由两种不同云层的切变不稳定导致，以下说法正确的是A.快速移动且密度更高的云层在速度较慢且密度较低的云层上方B.速度较慢且密度较低的云层在快速移动且密度更高的云层上方C.快速移动且密度较低的云层在速度较慢且密度更高的云层上方D.速度较慢且密度更高的云层在快速移动且密度较低的云层上方2【单选题】(2分)小扰动法的基本气流一般取为沿纬圈平均的速度场，若考虑斜压切变气流，这一速度场应取为A.y的函数B.x和y的函数C.x的函数D.y和z的函数3【多选题】(2分)以下哪些条件可以滤去重力内波A.水平无辐散B.f平面上地转近似C.静力平衡D.中性层结大气4【多选题】(2分)关于Rossby波的频散强度，以下正确的有A.低纬频散强B.高纬频散强C.大槽大脊频散强D.短波槽脊频散强5【单选题】(2分)由一维线性涡度方程∂ζ⁄∂t+βv=0讨论Rossby波的形成，对初始只有v=Vcos(kx)的南北风谐波状扰动，以下不正确的是A.x=0处初始吹南风B.x=0处左侧的涡度大于其右侧的涡度C.x=0处的运动状态将被其左侧的运动状态代替D.下一时刻x=0处涡度将减小第五章测试1【单选题】(2分)如果扰动随时间增长，那我们称这个扰动为A.衰减B.阻尼C.发展D.中性2【多选题】(2分)斜压不稳定中，扰动发展的能量来自A.柯氏力做功B.基本气流的动能C.都不是D.有效位能的释放3【单选题】(2分)若采用标准模方法分析稳定性，设扰动方程单波解为，以下哪个参数影响波在x方向上的传播速度。

“动力气象学”问题讲解汇编徐文金(南京信息工程大学大气科学学院)本讲稿根据南京信息工程大学“动力气象学”学位考试大纲（以下简称为大纲）要求的内容，以问答形式编写，以便学习者能更好地掌握“动力气象学”中的重要问题和答案。

主要参考书为：动力气象学教程，吕美仲、候志明、周毅编著，气象出版社，2004年。

本讲稿的章节与公式编号与此参考书一致（除第五章外）。

第二章（大纲第一章） 描写大气运动的基本方程组问题2.1 大气运动遵守那些定律？并由这些定律推导出那些基本方程？大气运动遵守流体力学定律。

它包含有牛顿力学定律，质量守恒定律，气体实验定律，能量守恒定律，水汽守恒定律等。

由牛顿力学定律推导出运动方程（有三个分量方程）、由质量守恒定律推导出连续方程、由气体实验定律得到状态方程、由能量守恒定律推导出热力学能量方程、由水汽守恒定律推导出水汽方程。

这些方程基本上都是偏微分方程。

问题2.2何谓个别变化？何谓局地变化？何谓平流变化？及其它们之间的关系？ 表达个别物体或系统的变化称为个别变化，其数学符号为dtd ，也称为全导数。

表达某一固定地点某一物理量变化称为局地变化，其数学符号为t ∂∂，也称为偏导数。

表达由空气的水平运动（输送）所引起的局地某物理量的变化称为平流变化，它的数学符号为∇⋅-V 。

例如，用dt dT 表示个别空气微团温度的变化，用tT ∂∂表示局地空气微团温度的变化。

可以证明它们之间有如下的关系z T w T V dt dT t T ∂∂-∇⋅-=∂∂ （2.4） 式中V 为水平风矢量，W 为垂直速度。

（2.4）式等号右边第二项称为温度的平流变化（率），第三项称为温度的对流变化（率）或称为垂直输送项。

问题2.3何谓绝对坐标系？何谓相对坐标系？何谓绝对加速度？何谓相对加速度？何谓牵连速度？绝对坐标系也称为惯性坐标系，可以想象成是绝对静止的坐标系。

而相对坐标系则是非惯性坐标系，例如，在地球上人们是以跟随地球一起旋转的坐标系来观测大气运动的，这种旋转的坐标系就是相对坐标系。

第一章大气边界层2.假定在近地层中，雷诺应力Tzx为常数，混合长错误!未找到引用源。

,并且在下边界z=0处，错误!未找到引用源。

，试求风随高度的分布。

解：∵错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

…………①对①式积分错误!未找到引用源。

3.已知由于湍流摩擦引起的边界层顶部的垂直速度为错误!未找到引用源。

（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错误!未找到引用源。

的公式。

（2）若湍流系数k=8m2/s，f=10-4s-1，涡旋顶部w=0的高度为10km，试计算错误!未找到引用源。

为多少？解：（1）正压大气的涡度方程简化形式：错误!未找到引用源。

设错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

…………①当z=H时错误!未找到引用源。

对①积分∵f为常数∴错误!未找到引用源。

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∴错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

（2）∵k=8m2/s f=10-4s-1H=10km∴错误!未找到引用源。

6.在某地测定平均风速随高度的分布，得到如下结果，假定风速分布对数规律，试计算z0，u及T0（去卡曼常数为0.40）。

高度（m）7 2 0.30 0.04平均风速（m/s） 3.92 3.30 2.40 1.41解：引入对数坐标系令错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

得出右表：则通过错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

带入前两组值错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

∴错误!未找到引用源。

（m）错误!未找到引用源。

（m/s）错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

15.在定常、均匀的气流中，铅直方向处于静力平衡的空气质点受到水平气压梯度力、水平地转偏向力和水平摩擦力的作用，假定后者与风速矢方向相反、大小成比例，试求风压场之间的关系，并作图说明。

成都信息工程大学半期考试试卷大学物理1A一、选择题1、设地球质量为月球质量的81倍，地球半径是月球半径的4倍，若深测器甲绕地球和深测器乙绕月球做匀速圆周运动的半径相同，则A.甲与乙线速度之比为9：2B.甲与乙线速度之北为1：9C.甲与乙向心加速度之比为81：1D.甲与乙的运动周期之比为1：12、下列有关光现象的说法正确的是A.在平静的湖面上能看到岸边树的清晰倒影，是发生了光的全反射缘故B.玻璃中的气泡看起来特别明亮，是发生了光的全反射缘故C.障碍物的尺寸比光的波长大得多时，不会发生衍射现象D.在光的双缝干涉实验中，把人射光由红光改为蓝光，条纹间距将变宽3、质量为m、速度为u的A球跟质量为3m的静止B球发生正碰。

碰撞可能是弹性的，也可能是非弹性的，因此，碰撞后B球的速度可能有不同的值。

碰撞后B球的速度大小可能是A.0.6uB.0.4uC.0.2uD.U4、中国将于2022年前后建成空间站。

假设该空间站在高地面高度约400km的轨道上绕地球做匀速圆周运动，已知地球同步卫星轨道高度约为36000km,地球的半径约为6400km,地球表面的重力加速度为10ms,则中国空间站在轨道上运行的（)A.周期约为3hB.加速度大小约为8.9m/s2C.线速度大小约为3.6km/sD.角速度大小约为2radh二、非选择题1、在验证力的平行四边形定则时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上带有绳套的两根细绳。

实验时，需要两次拉伸橡皮条，第一次是通过两细绳用两个弹簧测力计互成角度的拉橡皮条，第二次是用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条。

对本实验的要求及减小实验误差的下列说法正确的有哪些_____。

A.只要将橡皮条拉伸相同长度即可B.第二次拉橡皮条时要使细绳沿第一次实验所作平行四边形对角线方向上C.标记拉力方向时，要铅笔紧靠细绳沿绳移动铅笔画出D.拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些E.弹簧测力计使用前要先调到零点，拉橡皮条时弹簧的伸长方向和所测拉力方向要一致三、计算题1、光滑绝缘的细圆管弯成半径为R的半圆形，固定在竖直面内，管口B,C的连线水平。