中尺度气象学习题集

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中尺度气象学习题集

一、填空题

1．中尺度气象学主要包括以下学科：（1）、（2）、（3）和（4）。

【答案】：

（1）中尺度气象学包括中尺度天气学

（2）中尺度动力学与数值模拟

（3）中尺度天气的短期和甚短期预报

（4）中尺度大气物理学。

2．在Orlanski对中尺度运动进行的分类中，依照水平尺度由小到大分别为（1）、（2）、（3），对应的水平尺度为（4）、（5）、（6）。

【答案】：

（1）γ中尺度

（2）β中尺度

（3）α中尺度

（4）2～20km

（5）20～200km

（6）200～2000km

3．中尺度运动的基本特征有（1）、（2）、（3）、（4）。

【答案】：

（1）空间尺度小，生命期短

（2）气象要素梯度大

（3）非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动

（4）小概率和频谱宽、大振幅事件

4．滞弹性近似与包辛斯克近似的比较，滞弹性近似的连续性方程形式为(1)无辐散，而包辛斯克近似的连续性方程形式为(2)无辐散；滞弹性近似中密度的变化不仅考虑热膨胀效应，而且也考虑（3）效应；对于适用围，滞弹性近似可应用于（4）对流运动，而包辛斯克近似只能应用于（5）对流运动。

【答案】：

（1）质量

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（2）速度

（3）压缩

（4）深

（5）浅

5．对称不稳定，从物理上看，就是在垂直方向上为(1)和水平方向上为(2)的环境中，空气作倾斜上升运动时仍然可能发生的一种不稳定。其不稳定判据等(3)面斜率小于等(4)面斜率。

【答案】：

（1）对流稳定

（2）惯性稳定

（3）绝对动量

（4）位温

6．在CISK过程中，大尺度流场通过(1)的抽吸作用，对积云对流提供了必须的水汽辐合和上升运动，积云对流释放的(2)又为驱动大尺度扰动提供了能量，于是小尺度积云对流与大尺度流场演变相互作用互为因果共同发展。如(3)提供了CISK过程中启动积云对流的上升运动，则称之为波型第二类条件不稳定（Wave—CISK）。

【答案】：

（1）摩擦边界层

（2）凝结潜热

（3）大气中的波尤其是重力波

7．中纬度地区常见的中尺度对流系统有三类：(1)（普通单体雷暴和局地强风暴），(2)（如飑线）及近于圆形团状结构的(3)（MCC）。

【答案】：

（1）局地对流系统

（2）二维线状（带状）对流系统

（3）中尺度对流复合体

8．局地强风暴被认为是大气中最重要的中尺度环流，其环境场最重要的特征是强(1)和强(2)。

【答案】：

（1）位势不稳定

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（2）垂直风切变

9.中尺度天气现象分为二类，一类是(1)，如(2)、(3)等；另一类是(4)，如(5)、(6)、(7)、(8)等。

【答案】：

(1)稳定性天气

(2) 局地低云

(3)浓雾

(4)对流性天气

(5)雷暴

(6)大风

(7)下击暴流

(8)冰雹

10．中尺度天气系统，就其产生的基本原因可分为(1)和(2)两类，其中地形性环流有(3)，和(4)等，强对流天气系统有(5)，(6)，(7)和(8)等。

【答案】：

（1）非均匀性质下垫面强迫

（2）大气的部过程

（3）背风波

（4）海陆风环流

（5）雷暴单体

（6）飑线

（7）中尺度对流复合体

（8）龙卷

11．在有基本气流条件下，重力波发展的条件是(1),它们表示了这样的物理意义，即(2)和(3)是有利于重力波发展的。

【答案】：

（1）Ri<1/4

（2）弱的静力稳定度

（3）强的垂直风切变

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12．中尺度大气运动遵循以下物理原理：(1)、(2)、(3)、（4）以及其它气体和气溶胶物资守恒。

【答案】：

（1）质量守恒

（2）能量守恒

（3）动量守恒

（4）水物质守恒(了解)

13．经典的对流发展的三要素是：(1)、(2)和(3)。

【答案】：

（1）水汽

（2）不稳定

（3）抬升机制

14．只有与(1)力联系的项中保留了密度扰动，而在(2)力项中，则略去了密度扰动的影响，这样的近似称为对流近似。

【答案】：

（1）重

（2）气压梯度

15．弹性流体方程组包含的四种重力波解，分别是一对（1）重力波，一对（2）重力波；而弹性近似之后的中尺度运动方程组则滤去了（3）重力波，而保留了（3）重力波。

【答案】：

（1）高频

（2）低频

（3）高频

（4）低频

二、简答题

16．简述对流近似的含义。

【答案】

只有与重力联系的项中保留了密度扰动，而在气压梯度力项中，则略去了密度扰动的影响，这样的近似称为对流近似。

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17．简述中尺度运动的基本特征。

【答案】：

（1）空间尺度小，生命期短

（2）气象要素梯度大

（3）非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动

（4）小概率和频谱宽、大振幅事件（了解）

18．写出Orlanski对中尺度运动的分类标准。

【答案】：

Orlanski把中尺度运动分为γ中尺度、β中尺度和、中尺度，对应的水平尺度分别为：2～20km、 20～200km 、200～2000km

19．简述大气标高和扰动垂直尺度的区别。

【答案】：

大气标高描述的是基本热力学变量的垂直尺度，用表示，它表征的是基本热力学变量垂直方向变化达到本身量级的尺度，而常用H表示扰动的特征垂直尺度，它表征的是扰动在垂直方向的伸展围，一般情况下，显然H≤，对于浅对流运动来说，H<<。

20．中尺度气象学主要的研究对象是什么？

【答案】：

中尺度天气学研究两类中尺度天气现象：一类是雷暴、暴雨、冰雹、大风、下击暴流等对流性天气；另一类是局地低云、浓雾等稳定性天气。

19．包辛斯克近似的主要容是什么。

【答案】：

（1）在连续性方程中不考虑密度的个别变化，是完全非弹性，因此是速度无辐散的；（2）与重力相联系的方程中要部分考虑密度的影响，状态方程或热流量方程中也要考虑密度变化的影响；

（3）所需考虑的密度变化主要由受热不均匀即温度变化引起的，不考虑压力效应对密度变化的影响。

21．滞弹性近似的主要容是什么。

【答案】：

（1）连续性方程中虽然不考虑密度的个别变化，但保留了平均密度的垂直变化，因而是滞弹性的，或称之为质量无辐散；

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（2）在与重力相联系的方程及状态方程和热流量方程中要同时考虑压缩效应和热膨胀效应引起的密度变化。

22．常用的热力不稳定判据有那些？

【答案】：

γ＞，对于未饱和大气及饱和大气都是不稳定的，称为“绝对不稳定”；

，对于未饱和和饱和大气都是稳定的，“称为绝对稳定”；

＜，对于未饱和大气是静力稳定的，而对饱和湿空气来说是静力不稳定。

23．阻挡层（逆温层）对对流发展有何作用？

【答案】：

一方面阻挡层具有稳定层结，抑制了对流发展；另外一方面它把低空湿层与对流层上部的干层分开，使风暴发展所需要的高静力能量得以储存，对于大气低层不稳定能量有积累作用。24．说明在大尺度运动、积云对流运动和中尺度运动中，地转偏向力和浮力的不同作用。【答案】：

（1）大尺度运动中，地转偏向力相对重要，浮力可以略去；

（2）积云对流运动中，浮力相对重要，地转偏向力可以忽略；

（3）中尺度运动中，地转偏向力和浮力都需要考虑。

25．说明CISK的发展过程。

【答案】：

在CISK过程中，大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸(Ekman pumping)作用，对积云对流提供了必需的水汽辐合和上升运动，反过来积云对流凝结释放的潜热，又成为驱动较大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大尺度流场演变相互作用互为因果，相辅相成均得到了发展。

26.局地强风暴最主要的环境特征是什么？

【答案】：

局地强风暴是在特定的大气环境中发展起来的强大对流系统，环境的最主要特征是强位势不稳定和强垂直风切变。

三、问答题

27．说明云外下沉气流对一般对流和强风暴天气的作用。

【答案】：

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（1）由于云上升气流和云外下沉气流是对流环流的统一整体，因此上升空气从不稳定层结中所取得的能量，并不完全都用在加强上升运动的本身，其中有一部分是消耗在维持下沉运动上的。从这个意义上讲，云外补偿下沉气流是上升气流的一种阻力。普通积云对流的云外下沉运动的出现，使对流运动的发展受到不利的影响。

（2）强风暴天气系统的中尺度环流有一个明显的特征，即中尺度环流的准二维剖面上是一支由边界层开始倾斜上升直到对流层顶的暖湿气流和另一支中空干冷空气的下沉运动气流。这一支干冷空气的下沉运动，将与云中饱和空气混合，使云中雨滴或雹粒的蒸发而冷却，有蒸发冷却的下沉气流对于强风暴系统的强度和维持具有十分重要的作用，有可能使强对流组织化。这是因为一方面由于暖湿上升气流和蒸发冷却下沉气流的最后结果是局地大气稳定化；另一方面，下沉气流能形成近地面的冷空气堆或强烈的向外流出的辐散气流，可抬升雷暴前方低层暖湿空气上升形成新的单体，并且由于在风切变环境下，下沉气流又把高空水平动量带到地面，在低空加强了与暖空气的辐合作用，就更强烈地把暖空气上抬。因而常观测到新的对流单体在下沉气流前方形成，如果这样造成的上升气流得到充分发展，并在强切变环境下不断再生下沉和上升运动，就可维持强对流系统。

28．以水平尺度将中尺度大气运动进行分类，并说明中尺度大气用的基本特点。

【答案】：

（1）γ中尺度、β中尺度和、中尺度，对应的水平尺度分别为：2～20km、 20～200km 、200～2000km；

（2）特点：空间尺度小，生命期短；气象要素梯度大；非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动；小概率和频谱宽、大振幅事件。

29．中尺度天气预报的方法有那些？并分别说明其思路。

【答案】：

（1）线性外推

①质心跟踪法：这是对单块雷达回波的外推，采用了对回波质心在相继时刻的位置，作线性最小二乘拟合的方法。

②交叉相关法:交叉相关法是在整体稳态条件下，前两个雷达回波图之间，一边移动位置，一边计算交叉相

关系数，在所有可能的位移中，逐点计算交叉相关系数，把取得最大值时所需的位移看作回波图形移动速度，然后以此速度进行外推预报。

③引导气流法:这个方法是以空中环境气流作为引导气流，以气流的外推值预报雷达回波的移动，同时根据回波的大小和发展情况，对移向移速加以修正。它也可以利用卫星资料，外推卫星图象推算出来的降水区的移动。

（2）模式预报

①概念模式是对观测现象的结构、机制和生命周期了解的概括。在许多情况下，它可以用来改进外推预报。根据对雷达、卫星以及气象资料的分析，建立各种概念模式。

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②落区预报:将某预报对象出现时，反映预报因子的一些特征线表示在天气图上，根据综合这些特征线的围来确定预报对象未来可能出现的区域就是落区预报方法。

结构化预报

①列表法:根据预报员的经验，按对预报问题的重要程度，将反映预报因子的物理参数顺序列表，并通过历史资料确定预报对象是否出现的物理参数阈值，作为日常业务预报的依据。

②决策(判断)树:决策树预报系统是由揭示大气过程本质的预报因子，按照预报过程组成一系列的逻辑判断，并能在计算机上运行的预报系统，因而它也是一种简易的专家系统。（3）局地条件气候学

（4）统计学方法

①相似预报:按照一定标准客观描述这些特征，即可从众多的历史资料中，找到场型、场强等方面均为相似的个例集。在这一工作的基础上，对实时天气用等效模拟的方法作逐时预报。这种方法称为相似模拟法。也可从大量样本中，把相似个例分类，对每类起始时刻的一些因子(参数)确定数值，在预报时用实时因子加以判断，这就称为相似判别法。

②极值剔除法: 极值剔除法中，衡量因子优劣，是用“极值剔除数”这个参数来表示。极值剔除数是对非强对流天气样本集而言，它是指非强对流天气样本集中不满足极值条件的样本数，极值剔除数越大，表明因子预报能力越强。极值剔除数(K)的计算，因判别条件形式不同而不同。

（5）中尺度数值预报

30．比较研究中尺度问题常用的滞弹性近似方程组和Boussinesq近似方程组的异同。【答案】：

方程组中可以看出包辛斯克近似的主要特征：在连续性方程中不考虑密度的个别变化，是完全非弹性，因此是速度无辐散的；但与重力相联系的方程中要部分考虑密度的影响，状态方程或热流量方程中也要考虑密度变化的影响，所需考虑的密度变化主要由受热不均匀即温度变化引起的，不考虑压力效应对密度变化的影响。对于滞弹性近似而言，它比包辛斯克流体在弹性近似方面更接近实际流体，即连续性方程中虽然不考虑密度的个别变化，但保留了平均密度的垂直变化，因而是滞弹性的，或称之为质量无辐散，在与重力相联系的方程及状态方程和热流量方程中要同时考虑压缩效应和热膨胀效应引起的密度变化，

31．简述低空急流、高空急流对于对流运动的影响。

【答案】：

（1）低空急流有三个方面的作用：一是通过低层暖湿平流的输送产生位势不稳定层结；二是在急流最大风速中心的前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上升运动，这对强对流活动的连续发展是有利的；三是在急流轴的左前方是正切变涡度区，有利于对流活动发生。（2）高空急流对于对流运动的影响：在许多情况下，高空急流是产生高空辐散的机制之一。在中纬度，强雷暴或飑线最常出现的地点是在高空急流(或中空急流)影响区。高空辐散机制具有两个作用：一是抽气作用；二是通风作用。

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