3. 目前，用的最多的闭合方案是 一阶闭合（K理论） 。
4. 由动力因子形成的湍流称动力湍流或机械湍流；由热力因子形成的湍流称热力湍流。 5. 常用的稳定度参数有两类，一类是从 湍流能量方程 出发，以理查孙数Ri为代表；另
一类是以 相似理论、量纲分析 为基础，以Монии-Обухов(M-O) 的相似理论最为完整。 6. 判断粗糙流和光滑流的标准是 边界层附近分子粘性力和湍流粘性力的相对大小 。 7. 根据现代湍流理论，湍流有两类尺度：一类称作 湍流的微尺度 ；另一类称作 湍流的大尺度或积分尺度 。
8.
L*??u*f 是具有长度量纲的新的长度尺度，认为与 中性时大气边界层高度 只
差一个常数因子。
二．名词解释（每小题5分，共20分）
1. 低空急流——边界层内，在几百米的高度上，特别是在夜间，经常出现风速极大值的区
域，如果这种风极大区域比较薄，风速又较大，就称为低空急流。
2. 大气边界层——为大气受下垫面影响的层次，或大气与下垫面相互作用的层次，更精确
地说，应是在小于一天的时间尺度上相互作用的层次，因为如果时间尺度更长，下垫面影响的高度会更高。
3. 局部闭合——是空间任一点的未知量是用同一点已知量的值和（或）梯度来参数化的。 4. 波恩比——定义为感热通量和潜热通量之比。
5. 非局部闭合——是空间任一点的未知量是用空间许多点的已知量的值和（或）梯度来参
数化的。
三．简答题（每小题10分，共50分）
1. 答：大气边界层一般可分为粘性副层，近地层（常通量层）， Ekman层（上部摩擦层）
三层。粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。这一层的典型厚度1cm~几个cm，因此对多数实际问题而言，可以忽略它。近地层（常通量层）：从粘性副层到50-100m，这一层大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。由于近地层中湍流强烈混合的结果，该层中各物理属性的铅直输送通量近似为常值，故又称为常通量层。 Ekman层（上部摩擦层）：从近地层以上到1-1.5km。湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。 2. 答：将湍流交换用分子交换同样的方法来处理的做法称为K理论，又因它带有一定的经
验性，亦称半经验理论，它的好处是简单，缺点是理论基础不够，并不能普遍适用，对大气而言，在强不稳定层结时几乎不能用，因为不稳定时，湍流交换主要由“大涡”完成，而大涡的输送机制并不服从上面的规律。但由于简单，它如今仍是用得最多的办法。 3. 答：空气动力学光滑流与粗糙流的区别：光滑流的固壁边界比较光滑，湍流微弱，以分
子粘性为主；粗糙流的固壁边界凹凸不平，且凹凸厚度超过粘性副层，形成湍流，以湍流粘性为主。
4. 答：常用的有三种理查孙数有：
①通量理查逊数Rf
Rf数定义为热力湍能产生率的负值与机械湍能产生率之比，即
静力不稳定时： Rf?0，表示热力作用增强湍能； 静力中性时： Rf=0，表示热力湍能产生率为零； 静力稳定时： Rf?0，表示热力作用减弱湍能。 无论如何，Rf的绝对值越大，热力作用越强。 ②梯度理查逊数Ri
Rf虽然物理概念清楚，但是其中含有脉动量的协方差(w'?',?u'w')，直接测量比较困难，应用很不方便。 于是引入用平均风、温度梯度表示的梯度理查逊数Ri。 定义梯度理查逊数Ri
???T??dg?zg?zRi??T（?u）T（?u）22?z?z
Ri数的好处是可由温度和风速的梯度计算，即只要有温、风的梯度观测，即可算得。 Ri的符号与Rf是一致的，稳定层结均为正值，不稳定层结均为负值，中性时皆为零。 ③总体理查逊数Rb
Ri好处是它可以代表某一高度的稳定度，但如果平均风场、温度场的的观测数据精度不高，则由此计算的风、温度梯度，特别是分母的风梯度平方，会引起较大的误差，并且计算中的差分取对数毕竟麻烦，如果取线性差分，便不能代表某一高度，而只能代表z2和z1高度间的总体稳定度状况，这边是总体理查逊数Rb，两个高度中一个常取为地面，设z处与地面处位温差为△θ，因地面风为零，设z处风为u，则0～z间的Rb数：
g??Rb?z
2TuRb数由于简单，在实用中也很有用。 5. 答：谱图有以下形式：
1）线性-线性表示法：s(n)~n或F(K1) ~K1。
?因为
v?2???所以曲线下方的面积与所在频率范围表示的方差成正?S(n)dn ，
比。很容易说明这个频率范围的湍涡对总能量的贡献。可以清晰地反映出湍能的频率分布情况。
2）半对数表示法：nS (n)—lnn
纵坐标为线性，横坐标为对数，画出nS (n)—lnn。纵坐标用nS (n)是为了使曲线下面的面积仍然等于该频率段的方差。这样的谱图至少会出现一个极大值，而这个极大值所在位置往往是湍流的典型尺度。
3）对数—对数表示法：ln［nS(n)］—lnn
能使各种各样的频率和谱密度显示出来， S(n)与n之间的任何幂律关系也表示为直线，S(n)与n-5/3成正比，但曲线下方的面积不再与能量成正比。
四．论述题（每小题15分，共15分）
1. 答：非中性层结的大气，由于受热力因子的作用，湍流结构要发生相应的变化。气象要
素的铅直分布受大气稳定度影响也会发生相应的变化。以风速为例，平均风廓线，在平坦、均一的下垫面上，中性层结时呈对数分布，在单对数坐标系为直线形式，如图5.1所示。 非中性层结风廓线偏离对数分布，稳定层结呈上凸型，不稳定层结呈下凹型，而且高度愈低，愈接近对数律，即热力作用愈不显著。
2.
图上的三条风廓线，也表示了典型的风速分布的日变化。清晨或傍晚，近中性层结，风廓线接近对数律；白天太阳辐射强，温度超绝热递减，为不稳定层结；夜晚地面辐射降温，为稳定层结。 晴空、小风时，日变化明显；阴天、大风时，这种日变化不明显。 风廓线日变化定性解释：层结不稳定，湍流发展，上下各层空气湍流交换强烈，风速分布趋向均匀，差异减小，故呈下凹型；层结稳定，湍流受抑制，湍流交换微弱，上下风速差异大，故呈上凸型。
模拟试卷三
一．填空题（每空1分，共15分）
1. 大气边界层由下到上分为 、 和 三层。 2. 根据叉乘运算规则有：i?j? ；i?i? 。
3. 稳定层结中，M-O长度L 0；中性层结中，M-O长度L 0；不稳定层结中M-O
长度L 0。
4. 与中性层结不同，非中性层结的基本特征就是 同机械作用一起参与对湍流结
构的影响。
5. 如果把湍流场分解为不同频率或不同大小的湍涡的叠加，则可见能量是由 的湍涡即 涡向 的 涡传输。
6. 由K1F(K1)?nS(n)说明在给定时刻，测得的 与空间固定点测得的 相同。
二．判断题（每小题2分，共20分）
1. 大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。 （ ） 2. 粘性副层中大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。（ ） 3. 近地层中动量通量、水汽通量和热通量等均为恒定的常值。 （ ） 4. 通过运用相似理论分析可以得到无量纲组之间满足的具体方程或关系式。（ ） 5. 中性近地层风速廓线为“对数+线性律”。 （ ）
6. 粗糙度z0并不等于地面上各个粗糙元的高度，但这些粗糙元与z0之间是一一对应的关
系。 （ ）
7. 无论稳定还是不稳定，Ri的绝对值越大，热力作用越强。 （ ）
8. 机械湍流与热力湍流相比，热力湍流能量更集中于低频端，也就是说不稳定层结引起的
热力湍流主要是小涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占主要地位。（ ） 9. 热交换规律说明可由稳定度?及外参数求地面湍流动量通量。 （ ）
10. 根据实测资料发现，在不同高度上都呈现温度波，高度愈高，振幅愈小，而温度最大时
的位相随高度增加而落后。 （ ）
三．简答题（每小题10分，共50分）
1. 何谓闭合问题？通常如何解决？ 2. 简述近地层主要物理特征。 3. 什么叫湍流通量的参数化？
4. 近地层中影响湍流场的主要参变量有哪些？ 5. 确定边界层高度的方法和途径有哪些？
四．推导题（每小题15分，共15分）
1. 试推导近地层粗糙流下的风速随高度分布的对数律廓线。
答案：（供参考）
一．填空题（每空1分，共15分）
1. 大气边界层由下到上分为 粘性副层 、 近地层（常通量层）和 Ekman层（上部摩擦层）
三层。
2. 根据叉乘运算规则有：i?j?k；i?i?0。
3. 稳定层结中，M-O长度L > 0；中性层结中，M-O长度L = 0；不稳定层结中M-O长度
L < 0。
4. 与中性层结不同，非中性层结的基本特征就是 热力作用 同机械作用一起参与对湍流结
构的影响。
5. 如果把湍流场分解为不同频率或不同大小的湍涡的叠加，则可见能量是由 尺度大 的湍涡即 低频 涡向 尺度小 的 高频 涡传输。
6. 由K1F(K1)?nS(n)说明在给定时刻，测得的 对数波数谱 与空间固定点测得的 对数频率谱 相同。
二．判断题（每小题2分，共20分）
1. 大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。 （T） 2. 粘性副层中大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。（F） 3. 近地层中动量通量、水汽通量和热通量等均为恒定的常值。 （F） 4. 通过运用相似理论分析可以得到无量纲组之间满足的具体方程或关系式。（F） 5. 中性近地层风速廓线为“对数+线性律”。 （T）
6. 粗糙度z0并不等于地面上各个粗糙元的高度，但这些粗糙元与z0之间是一一对应的关
系。 （T）
7. 无论稳定还是不稳定，Ri的绝对值越大，热力作用越强。 （T）
8. 机械湍流与热力湍流相比，热力湍流能量更集中于低频端，也就是说不稳定层结引起的
热力湍流主要是小涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占主要地位。（F） 9. 热交换规律说明可由稳定度?及外参数求地面湍流动量通量。 （F）
10. 根据实测资料发现，在不同高度上都呈现温度波，高度愈高，振幅愈小，而温度最大时
的位相随高度增加而落后。 （T）
三．简答题（每小题10分，共50分）
1. 答：所谓闭合问题实质上是研究在哪阶相关矩处截断以及如何用有关参数来表征方程中
出现的更高一阶的相关矩。 这一问题十分重要，因为边界层内运动的湍流性是关键特征，它的变化是引起边界层结构变化的重要因子。 解决方法：使用一个有限数目的方程组，然后用已知量来近似未知量。这种闭合近似或闭合假说是通过保留最高阶的预报方程命名的。常用的闭合方案有：0阶闭合、1阶闭合、高阶闭合，非局地闭合等。 2. 答：近地层大气的主要特征：受地面的动力和热力的强烈影响，气象要素随高度激烈变
化，运动尺度小，科氏力可忽略不计，以大气湍流运动为特征，湍流输送占有压倒优势作用，该层中动量、热量和水汽的铅直湍流输送通量几乎不随高度改变，又称常通量层。 3. 答：根据湍流通量的定义，直接计算需要有湍流脉动资料，如
u?w?、‘w???等，
而湍流观测及其资料并非常规气象量，没有专门的观测就很难得到，因此常用气象量将其参数化就成为计算通量的主要方法。这当中，前面讲过的风、温、湿廓线求通量就成为最主要的方法，因为这些廓线都表示了通量和风、温、湿梯度的关系。 也就是说，