气象学思考题

第一章

1具备水汽、对流运动有利于温度降低水汽凝结、要素分布不均匀有利于锋面产生，而锋面的抬升运动有利于水汽凝结产生云雨等天气现象。

2臭氧能强烈吸收太阳紫外线辐射部分，对大气有增温作用，引起平流层的温度随高度增加。

3粉尘，一氧化碳，二氧化碳，一氧化氮，硫化氢，碳氢化合物和氨。来自工业，交通运输业。

4温度随高度递减、对流旺盛、要素水平分布不均匀、集中了四分之三的大气质量和十分之九的水汽质量。对流层主要是从地面得到热量，通过空气的对流和湍流运动，将热量输送到高层大气。

5平流层中水汽含量极少，透明度好，大多数时间天空晴朗，只是在底部有分散的贝母云。飞机飞行的理想高度。

6平流层中这种温度的分布特征，是和它受地面的影响小，以及该层中的臭氧对太阳紫外辐射的吸收有关。

7干洁空气主要气体的成分比从地面直到90公里高度基本不变，在90km以上，大气的主要成分仍是氮和氧，但随着高度的增加氧的比例减小，氮的比例增大。平均从80km开始，由于太阳紫外辐射的照射，氧和氮已有不同程度的离解，在100km以上氧已全部成为氧原子，在250km以上氮也基本以原子的形式存在。 8近百年来，大量燃烧化石燃料，大气中的二氧化碳含量以每年1×10-12%的量级不断增加。

9压强随高度的变化与温度成反比。 10因为e??p，所以按照式w?小

11．与湿空气同气压同密度的干空气的温度。将水汽增加密度减小的效应，用温度升高密度减小来表示，而不考虑水汽多少所引起的空气分子量的变化。 12从物理意义上讲，米反映的是高度的变化，而位势米反映了单位质量的物体当高度变化时其势能的变化。

13单位体积大气所能容纳水汽与温度有关。温度超高，能容纳的水汽，饱和水汽压超高。当温度较高时，饱和水汽压随温度较快；而温度降低，饷水汽压随温度升高增大较慢。

14由单位压强高度差知当T较大，H 较大，所以暖空气中单位气压高度差要比在冷静空气中大。在相信的冷暖空气中，当地面压强相同，在各个高度上暖气层的气压比冷气层内气压大。 15西，北

16单位时间内空气在水平方向流动的距离就是风速。风向是指风的来向。风压是与风运动方向相垂直的单位面积上受风的垂直作用力的大小。

mwe算出的q与按w?0.622算出的w差别很mdp?e17在空气中气压和水汽含量不变的条件下降温，使水汽相对于水面达到饱和（t＞0℃）时的温度，称为露点温度。td?blg(e/6.11)/[a?lg(e/6.11)]由上式可以看出，在气压一定时，露点（或霜点）的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点（或霜点）愈高，所以露点（或霜点）也是反映空气中水汽含量的物理量。

18绝对湿度，相对温度

19干空气的状态方程为p??RdT；湿空气的状态方程可写成p??RTv；上式表明，在温度一定时，气体的压强与其密度成正比；在密度一定时，气体的压强与其绝对温度成正比。

?p???g流体静力学方程的物理意义是当单位体积的气块处于静力平衡时，?z所受的静压力与重力相等，气压随高度增加而减小，气压随高度变化的快慢与气压成正比。

20

21f??q?100%??100%温度不变，饱和水汽压不变，比湿减小，相对湿度?sqs减小 。

第二章

1.1367W/M2，太阳辐射主要集中于0.15-4UM，地面集中于3-120UM。

2太阳辐射一部分被大气吸收，一部分被散射到太空中，还有云层对太阳辐射的减弱作用。

3瑞利散射和米散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成正比。米散射强度与波长无关。

4天空呈蓝色因为辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射。蓝烟同前。吸烟者吐出大量水汽，微粒半径大，对白光散射最强。

5到达地面的太阳辐射包括了直接投射到地面上的直接辐射和以散射的形式到达地面的散射辐射两部分。太阳直接辐射的大小主要是由太阳高度角和大气透明度所决定的。散射辐射和空气分子、尘埃和云滴有关。

6地面所放射的辐射量与地面所吸收外资的那部分大气逆辐射之差。影响因子有地面温度，气温，大气湿度，云况，海拔高度，地面性质。

7冬天气温太阳低，夜晚无太阳辐射，而无云使地面有效辐射增大，黎明前温度一直下降。

8夜间地面因强烈的地面有效辐射，冷却降温，使紧贴其上的气层空气有较大的降温而形成逆温。

9太阳高度角随纬度增大而变化减小，所以气温变化也相应由大到小。而气温年变化由地面总辐射决定，辐射变化量随纬度增大而增大，所以赤道气温年变化更小。

10冬夏高低纬间地面接受辐射差不同，夏季因该半球接受太阳直射较多，辐射差小，冬季相反。

11地面辐射收支之差。日变化特征为白天R大于0，夜间R小于0，年变化特征为7-8月R最大，1-2月R最小。

12低纬度辐射差额大于0，有热量盈余，纬度高于30度地区有热量亏损，高低纬 地区热量平衡靠空气的湍流，洋流完成，对于便于平均而言，差额为0。 13陆地热量平衡方程（R?LE?P?Bs）的物理含义是地面收支差额靠着潜热输送、感热输送和土壤中热储量的变化保持平衡。

14日变化为最低温出现在日出前后，最高温在14时左右；年变化陆地上空气温1月最低，7月最高，海洋上空2月最低，8月最高，地理分布特征为冬季等温线密集，温度梯度大，夏季相反，北半球等温线与纬圈不平行。

第三章

1. 三种

(1)理想气体热力学第一定律：dQ?mcvdT?pdV，表示系统热量的得失与内能做功之间的能量关系。

(2)干空气热力学第一定律：dQ?cvdT?能做功之间的能量关系。

(3)饱和湿空气热力学第一定律：dQ1?Ldqs?cvdT?RTdp，表示单位质量干空气的热量的得失与内pRTdp，表示饱和湿空气块的热量p的得失与内能做功之间的能量关系。

2. 什么是干绝热过程，什么是湿绝热过程，什么是假绝热过程？

(1)如果升降气块内部既没有发生水相变化，又没有与外界交换热量，称这种过程为干绝热过程。

(2)饱和湿空气在上升过程中，与外界没有热量交换，该过程称为湿绝热过程。

(3)潮湿空气块上升，饱和前温度按干绝热直减率减小，饱和以后按湿绝热直减率减小。当气块中水汽凝结，成为雨滴、雪花等部分或全部降落后，气块中水分含量减少，下降过程按干绝热直减率或介于干、湿绝热直减率之间的直减率（它大于上升过程中的湿绝热直减率）增温，气块回到原来高度上时，其温度就变成另一个较高的温度，这种过程是个不可逆过程。严格说是非绝热的，所以称为假绝热过程。

3. 什么叫凝结高度？在什么情况下凝结高度较高或较低？

(1)未饱和的湿空气块绝热上升，气块的水汽压小于其温度时的饱和水汽压；当气块继续上升，其温度降低，饱和水汽压也随之减小。这样，在某一高度上，其饱和水汽压等于气块的水汽压，水汽开始发生凝结，把这个高度称为抬升凝结高度（LCL），简称凝结高度。 (2) 由公式h?123差大(T0?Td0),凝结高度的大小取决于抬升前气块温度和露点温度之差。

凝结高度大，反之则小。

4．为什么湿绝热直减率小于干绝热直减率，湿绝热直减率大小与什么有关？ (1)湿绝热直减率?s??d?dqLdqs，当饱和湿空气上升时，dz?0，dqs?0，则s?0；

dzcpdz下降时，dz?0，dqs?0，则

dqs?0，所以?s总小于?d的。 dz(2)?s是随气压和温度变化的量，气压一定时，温度升高，?s减小；温度一定时，气压升高，

?s增大。

5．什么是位温，什么是假相当位温？假相当位温在什么情况下等于位温？

(1)位温定义为，气块沿干绝热过程移动到标准气压（取1000hPa）处所具有的温度。 (2) 我们定义假相当位温为：未饱和湿空气沿干绝热线?d上升到凝结高度，再沿湿绝热线?s继续上升到气块中的全部水汽凝结成水滴、冰晶，并全部脱离该气块，即成为干空气时，再按?d线下降到1000hPa处，此处气块具有的温度称为假相当位温。 (3)?se??AeLqAcpTB，当没有水汽凝结或水汽全部凝结并脱离原气块时，?se??A。

6．为什么暖湿气流越过高的山脉后，某一高度上温度要比山前同一高度上温度高？?se在山前和山后是否相等？

（1）暖湿气流在山前，上升，饱和前温度按干绝热直减率减小，饱和以后按湿绝热直减率减小。当气块中水汽凝结，成为雨滴、雪花等部分或全部降落后，气块中水分含量减少，下降过程按干绝热直减率或介于干、湿绝热直减率之间的直减率（它大于上升过程中的湿绝热直减率）增温，气块回到原来高度上时，其温度就变成另一个较高的温度。 （2）假相当位温具有保守性，是不变的。

7．气块法大气层结稳定度的判据？如何利用T?lnp图上判断大气的稳定度。 （1）

①干空气与未饱和湿空气：

②饱和湿空气：

??不稳定稳定???s中性

（2）在T?lnp图上，

8．什么叫不稳定能量？讨论不稳定能量，正面积区与负面积区表示什么意义？

（1）不稳定能量是气层中可能供给单位质量气块上升运动的能量，可用单位质量上升气块受到的合外力所作的功来度量。

（2）正面积代表正的不稳定能量，使气块向上的动能增加，有利于加速运动；负面积代表负的不稳定能量，使气块向上的动能减少。 9．温度层结曲线与气块状态曲线有何异同？ 温度层结曲线：局地温度随高度的变化曲线。 气块状态曲线：气块温度随高度变化曲线。 同：都是温度随高度的变化曲线

异：温度层结曲线事对局地温度而言；气块状态曲线是对某一高度上的气块而言。 10．气象要素的个别变化、局地变化和平流变化的意义是什么？ (1) 空气块在运动中，其本身的要素随时间的变化，称该要素的个别变化

(2) 由于大气运动或其他原因，使得某一固定地点的要素值发生变化，这种变化称为局地变化。

（3）由于要素场分布不均，空气的水平运动就会引起某地状态随时间的变化，称之为平流变化

11．设山高为1000m，?s=0.65℃/100m，一团未饱和湿空气在迎风坡山脚时的温度为20℃，露点为16.5℃，当它上升到山顶时，水汽已全部凝结并离开气块。求该团空气上升到山顶时的温度是多少？越过山顶后到达背风坡山脚时气温为多少？

未饱和湿空气先按干绝热线上升到凝结高度，再按湿绝热线上升到山顶，水汽全部凝结并脱离气块，越过山顶后又按干绝热线下降，到达背风坡山脚。 凝结高度：h?123(T0?Td0)=123×（20-16.5）=430.5m 山顶温度：T1?T0??dh??s(H?h)=12℃

回山脚时温度：T2?T1??dH=12+（0.98/100）×1000=21.8℃

第四章

1．什么是气压梯度？气压梯度力？其大小、方向？

答：

·气压梯度：表示气压分布不均匀程度的空间矢量。其大小等于气压随距离的变化率，方向多垂直于等压线或等压面，由高压指向低压。

·气压梯度力是周围空气介质作用在空气块表面上压力的合力G。对于单位体积的空气块，气压梯度力恰好等于气压梯度??p，其方向垂直于等压面并从高压指向低压方向。

2．水平地转偏向力具有哪些性质？ 答：

⑴偏向力只能产生于空气运动之后，而不能使静止空气产生运动。

⑵纬度一定时，风速愈大，Ah愈大。当Vh=0，Ah=0。风速一定时，水平地转偏向力与维度的正弦成正比，在极地Ah最大；在赤道上Ah=0。

⑶地转偏向力垂直于物体运动方向，在北半球上（??0?），地转偏向力总是指向风的右边，并垂直于风，在南半球上，（??0?），则相反，地转偏向力总是指向风的左边，也垂直于风。不论在北、南半球上，地转偏向力的作用只能改变空气运动的方向，不能改变它的速度大小。

3．真正使空气质点运动的力有哪些？哪些力可使得已经运动的空气质点的运动状况发生变化？

答：

·真正使空气质点运动的力是气压梯度力，它是大气运动的起动力。

·摩擦力是两个相互接触的物体作相对运动时，接触面之间所产生的一种阻碍物体运动的力，可使风速减少、方向偏离等压线；地转偏向力和惯性离心力都不是实际存在的力，它们只改变物体运动的方向，不改变运动速度的大小。

4．由大中小尺度运动简化方程说明各尺度运动的基本特征。

答：

⑴大尺度运动方程：

1?p??fv???x?水平运动方程：?，说明大尺度大气是在水平气压梯度力和水平地转

1?p0???fu????y?0??偏向力平衡下的运动，具有准地转平衡的特征；

垂直运动方程：0??准静力平衡的特征。

⑵中尺度运动方程：

1?p?g，说明大气运动对气压随高度变化的影响很小，具有??zdu1?p????fv?dt??x?水平运动方程：?，中尺度大气不具有地转平衡的特征；

dv1?p???fu??dt??y?垂直运动方程：0??⑶小尺度运动方程：

1?p?g，中尺度大气垂直方向满足静力平衡。 ??zdu1?p???dt??x??水平运动方程：?，水平方向不满足地转平衡；

dv1?p???dt??y??垂直运动方程：

d?1?p???g，垂直方向发展强烈的小尺度系统不满足静力平衡，dt??z一般情况下是满足静力平衡的。

5．什么是地转风？梯度风？风场与气压场关系如何？梯度风什么情况下等于地转风？ 答：

·地转风是水平气压梯度力与地转偏向力达到平衡时，空气的等速直线水平运动。 ·地转风的风压场关系满足白贝罗风压定律：背风而立。北半球上，低压区在左，高压区在右；南半球上则相反，高压区在左，低压区在右。

·梯度风是沿（圆形）等压线吹的无摩擦的水平气流。

·梯度风的风压场关系有两种情况：

⑴梯度风轨迹曲率为气旋式，空气呈逆时针向旋转。 ⑵梯度风轨迹曲率为反气旋式，空气呈顺时针向旋转。 ·在平直等压线条件下，梯度风等于地转风。

6．从力的平衡说明，为什么北半球大尺度气旋和反气旋对应低压和高压？ 答：

⑴北半球大尺度气旋对应低压：因为离心力总是指向外，这时地转偏向力也指向圆外，所以气压梯度力必须指向圆心，即气压系统中心为低压，这样才能达到三力平衡，如下图：

低

⑵北半球大尺度反气旋对应高压：离心力总是指向圆外，这时地转偏向力指向圆内，而气压梯度力的方向就决定于前两项的相对大小。当G由高指向低，即反气旋中心为高压中

2VG心，满足A=C+G，地转偏向力与惯性离心力、气压梯度力平衡，如下图。|A|>|C|，即fVG?，

rT对于大尺度系统rT大，C较小，关系成立。反之，反气旋中心为低压中心，满足A+G=C，惯性离心力与地转偏向力、气压梯度力平衡，即|A|<|C|，对于大尺度系统是不成立的。

n 高 VG2 rTfVG VG ?1?p ??n

7．为什么高压中心的风不可能很大？ 答：

f2rT??p北半球高压与大尺度反气旋对应，由公式???2sin2?rT?知，反气

?nmax4旋中心因为rT很小，所以气压梯度最大可能值也较小，因此在反气旋中心等压线不会很密，所以反气旋中心（高压中心）的风不可能很大。

8．如果用V表示梯度风风速，Vg表示地转风风速，试证①在高压区V?Vg；②在低压区V?Vg。

证明：

VgV?0，即：已知地转风与梯度风之比为：，又因在高压区rT?0，所以?1?VVfrTVgV?Vg；在低压区rT?0，所以

VgV?0，即：V?Vg。

9．热成风的成因是什么？热成风与平均等温线有何关系？热成风在风随高度变化中有些什么作用？

答：

·热成风的成因：当两个等压面之间气层的平均温度分布不均，即有平均温度梯度时，等压面的坡度就会随高度发生变化，或愈向上等压面坡度愈陡，从而有热成风。

·热成风与平均等温线的关系：由公式VT??Vg??g?T(z?z0)可看出，

2?sin?T?n热成风的大小与平均等温线的疏密程度（平均温度的梯度）成正比。

·热成风在风随高度变化中的作用： ⑴应用单站测风记录，判断高空冷暖平流。

⑵根据热成风与气层平均温度的梯度之间的关系，估算另一高度上的地转风。 ⑶判断气压场和温度场的空间结构。

10．为什么地转风随高度逆时针旋转有冷平流？顺时针旋转有暖平流？ 答：

据热成风公式VT?Vg?Vg0，当p与p0两层等压面的地转风已知时，即可从地转风的

向量差求出VT，再由VT的方向确定此两层间冷暖区的分布，进而判断冷暖平流。如下图所示：

冷

T-2

Vg Vg0 VT 暖

T-1 T0

暖 VT Vg0 Vg 冷

T-2 T-1 T0

（a）逆转时伴有冷平流 （b）顺转时伴有暖平流

图（a）中等温线为东西走向，且北冷南暖，地转风温度平流为冷平流；图（b）中等温线也是东西走向，北冷南暖，地转风温度平流为暖平流。

11．地面冷高压随高度将会发生什么变化？高空会是什么系统对应？

答：地面为冷高压时，如下图（a）所示，Vg0与VT方向相反，这时风向不变，风速随高度减小，到某一高度为零，以后风向倒转180°，再向上风速又继续增加，在高空会是低压系统与之对应，如下图（b）。

Vg冷高 VT 冷低 Vg0

（a）地面为冷高压 （b）高空为冷低压

12．由连续方程说明水平速度散度与垂直速度的关系？ 答： 已知连续方程

???u?v??(?)p，从地面气压p0到某一高度气压p对其积分，就可?p?x?y得这高度上的p铅直速度

?(p)??(p0)??(p0p?u?v?)pdp ?x?y上式中，称(?u?v?u?v?)为水平速度散度，用?h?V表示；(?)p称为等压水平速度散?x?y?x?y度，用?p?V表示。

当?h?V（或?p?V）>0时，称相应的流场为辐散；当?h?V（或?p?V）>0时，称相应的流场为辐合。因此，在低层大气中，气流辐合伴随有上升运动；气流辐散伴随着下沉运动。

13．说明p垂直速度和z坐标系垂直速度的意义，?与w的联系为什么符号相反？ 答：

·p坐标系中的垂直速度??垂直速度w?dp，表示某固定质点气压随时间的变化；z坐标系中的dtdz，表示某固定质点高度随时间的变化。 dt·已知??(?p?p?p?p)z?u()z?v()z?w，因为右端前三项的尺度较最后一项小一?t?x?y?z个量级，略去前三项，得

??w即?与w的联系符号相反。

?p???gw ?z14．750hPa面和500hPa面之间气层的平均温度梯度值为每100km降低3℃，梯度方向指东方，设f=10-4s-1。如果700hPa上为东南风20ms-1，试问在500hPa上的地转风风速是多少，风来自何方？

答：

VT??g?TRp?T(z?z0)?(?ln0)?30m/s

fp?n2?sin?T?n。 Vg与VT、Vg0构成的三角形可求出Vg的值，为21m/s，方向为北偏东40.9°

15．地面摩擦力对风的影响？（包括风向、风速） 答：

摩擦力不仅使风速减小，且会改变风向，使低层空气中的风穿越等压线向低压区吹。

上式中，称(?u?v?u?v?)为水平速度散度，用?h?V表示；(?)p称为等压水平速度散?x?y?x?y度，用?p?V表示。

当?h?V（或?p?V）>0时，称相应的流场为辐散；当?h?V（或?p?V）>0时，称相应的流场为辐合。因此，在低层大气中，气流辐合伴随有上升运动；气流辐散伴随着下沉运动。

13．说明p垂直速度和z坐标系垂直速度的意义，?与w的联系为什么符号相反？ 答：

·p坐标系中的垂直速度??垂直速度w?dp，表示某固定质点气压随时间的变化；z坐标系中的dtdz，表示某固定质点高度随时间的变化。 dt·已知??(?p?p?p?p)z?u()z?v()z?w，因为右端前三项的尺度较最后一项小一?t?x?y?z个量级，略去前三项，得

??w即?与w的联系符号相反。

?p???gw ?z14．750hPa面和500hPa面之间气层的平均温度梯度值为每100km降低3℃，梯度方向指东方，设f=10-4s-1。如果700hPa上为东南风20ms-1，试问在500hPa上的地转风风速是多少，风来自何方？

答：

VT??g?TRp?T(z?z0)?(?ln0)?30m/s

fp?n2?sin?T?n。 Vg与VT、Vg0构成的三角形可求出Vg的值，为21m/s，方向为北偏东40.9°

15．地面摩擦力对风的影响？（包括风向、风速） 答：

摩擦力不仅使风速减小，且会改变风向，使低层空气中的风穿越等压线向低压区吹。

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