動力工程及工程熱物理進展及動力氣象試題分類

浙江工業(yè)大學攻讀碩士學位研究生課程文獻綜述專業(yè)動力工程及工程熱物理課程名稱動力工程及工程熱物理進展任課教師包士毅等姓名趙李盼2016年1月10日多相流技術在泵研究發(fā)展中的應用分析概述兩相流動主要分為氣液和固液的混合運動。兩相流廣泛應用于能源、化工、冶金,核能、冶金等領域。早在年,兩相流就被用來減少波浪對建筑物的破壞作用。此后,在工程中也得到越來越廣泛的應用,如在河口用氣泡幕防止鹽水入侵控制水庫和湖泊中的分層結構以及改善水質加速反應裝置中的物質混合、熱量交換、以及化學反應過程在城市河流污染治理中,用純氧曝氣復氧來治理污染河流、消除黑臭。在電力行業(yè)中的應用主要體現(xiàn)在火力發(fā)電廠的水力除灰系統(tǒng)中,和火力發(fā)電廠濕式石灰石洗滌法脫硫系統(tǒng)中。氣液兩相流動很大程度上取決于氣泡運動形態(tài)以及分散相和連續(xù)相之間的相互作用。然而,在氣液兩相流動中,氣液兩相的流速是不同的。在流動時,氣液兩相的流動結構又是多樣的,而且,帶有隨機性。有關固液兩相流的問題很早就己經(jīng)提出。早在年就己經(jīng)較系統(tǒng)地研究過明渠水流中泥沙的沉降和輸運。于年研究過聲波在泡沫液體中傳播時強度的衰減。但是許多經(jīng)驗和研究成果分散在各個不同領域,交流不多。直至上世紀四十年代,刁`開始有意識地總結歸納所遇到的各種現(xiàn)象,用兩相流的統(tǒng)一觀點系統(tǒng)地加以分析和研究。五十年代以后相關的論文數(shù)量顯著增加,內(nèi)容包括兩相流邊界層,空化理論,流態(tài)化技術,噴管流動等。六十年代以后,越來越多的學者開始探索描述兩相流運動規(guī)律的基本方程。兩相流作為一門獨立的學科形成,并有了迅猛階段,但迄今為止還沒有非常成熟的體系,尚處于發(fā)展初期,很多方面都要依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù),而且數(shù)據(jù)的分散性很大。一．數(shù)值模擬技術簡介1.按固液兩相的耦合程度不同分類（1）兩相平衡流模型，又稱為均勻流模型，它假設兩相的速度彼此相等，兩相有著相同的運動參數(shù)，互不影響，因而這種模型比較簡單，被廣泛應用于各種產(chǎn)品設計的理論性計算中。（2）一方耦合模型，此模型假設流體不受顆粒存在的影響，但顆粒在流體的帶動下被牽引運動，適用于顆粒濃度非常低的兩相流動。（3）兩相不平衡流模型，又稱分離流模型，其中的兩相的速度彼此不相等，兩相間存在滑移速度?；旌衔镏械母飨嘁蛭锘匦圆煌?，其運動規(guī)律不可能完全一致。該模型綜合考慮了兩相之間的速度差異，更接近多相流的實際情況，因此較前兩種模型更為精確，但同時也更為復雜。2.按刻劃的尺度和屬性的不同分類（1）連續(xù)介質模型連續(xù)介質模型是將顆粒相看成是擬流體，顆粒相和流體相皆采用歐拉坐標描述，這是目前在兩相流動研究領域中使用最為廣泛的一種方法。如果其中的顆粒相僅視為一相來處理的話，常常又被稱為雙流體模型(Two-FluidModel)。該模型還可以細分以下幾種：無滑移模型假定所有顆粒的溫度、物質密度都相等，并且它們的平均速度和當?shù)氐牧黧w相速度也相等，不考慮流體與顆粒的相對滑移和兩相間的阻力，顆粒擴散相當于流體組分的擴散。該模型把顆粒相處理得非常簡單，易于計算，它但是沒有考慮相間的速度滑移違背了客觀規(guī)律，現(xiàn)在已基本不再應用了。小滑移模型假定顆粒在流體的夾帶下運動，同相的速度、溫度、物質密度和顆粒直徑均相同，顆粒在流場中有擴散漂移，即小滑移。此模型是建立完整的兩相流模型的開端，它考慮了顆粒的滑移和兩相間因滑移而引起的相間拽力，但還是沒有全面地描述顆粒的運動，與實驗觀察結果相差較大?；?擴散模型該模型既考慮了相間的平均速度滑移，又考慮了顆粒群的湍流擴散，是目前較為完善的多相流動模型。由于引入了顆粒群的運動參數(shù)，所以控制方程的求解計算量增大，對含多種不同規(guī)格的顆粒群來說不易實現(xiàn)。此外，目前對初始邊界條件及擴散系數(shù)的確定都是經(jīng)驗數(shù)據(jù)，有關的參數(shù)修正系數(shù)研究還不是很充分，有待進一步探討。（2）顆粒群軌跡模型離散顆粒群模型就是把顆粒作為離散介質來考慮，更符合實際流動，因此對該模型的研究較為深入。該模型可分為：單顆粒動力學模型-假設顆粒對流場沒有影響，顆粒的運動互不相關，相間存在較大的速度滑移。該模型是最早的兩相流模型，它可應用解析法分析顆粒的運動軌跡以及速度的變化。它的前提條件也就限定了它只適用顆粒濃度小，滑移量相當大的流場。顆粒軌跡模型假設離散顆粒各自沿自己的軌道運動，相間存在大滑移，但不考慮顆粒群的湍流擴散。該模型已經(jīng)廣泛用于兩相流的研究，它能夠模擬復雜過程的顆粒相運動規(guī)律，卻沒能全面地考慮顆粒的質量、動量和能量的湍流擴散過程，在復雜流場中，連續(xù)的顆粒速度和濃度的空間分布也很難給出，因此，要想和實測的歐拉坐標顆粒特征對照就非常困難。顆粒湍流擴散的拉格朗日模型該模型是對顆粒軌跡模型的修正，它充分考慮了顆粒的湍流擴散效應。其修正方法有人為地加入漂移速度、漂移力的概念和用隨機的方法來處理顆粒的運動兩種，其中采用第二種方法較多。流體擬顆粒模型該模型從刻劃單顆粒尺度上的運動行為入手，不僅將宏觀離散的顆粒當成離散相處理，還將宏觀連續(xù)的流體也采用擬“顆?！毙再|的流體微團來處理，從而可以模擬遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)。這類模型對流體、顆粒的運動都是采用拉格朗日坐標來描述。3.FLUENT多相流模型分類1、氣液或液液流動氣泡流動：連續(xù)流體中存在離散的氣泡或液泡液滴流動：連續(xù)相為氣相，其它相為液滴栓塞（泡狀）流動：在連續(xù)流體中存在尺寸較大的氣泡分層自由流動：由明顯的分界面隔開的非混合流體流動。2、氣固兩相流動粒子負載流動：連續(xù)氣體流動中有離散的固體粒子氣力輸運：流動模式依賴，如固體載荷、雷諾數(shù)和例子屬性等。最典型的模式有沙子的流動，泥漿流，填充床以及各相同性流流化床：有一個盛有粒子的豎直圓筒構成，氣體從一個分散器進入筒內(nèi)，從床底不斷沖入的氣體使得顆粒得以懸浮。3、液固兩相流動泥漿流：流體中的大量顆粒流動。顆粒的stokes數(shù)通常小于1。大于1是成為流化了的液固流動。水力運輸：在連續(xù)流體中密布著固體顆粒沉降運動：在有一定高度的盛有液體的容器內(nèi)，初始時刻均勻散布著顆粒物質，隨后，流體會出現(xiàn)分層。4、三相流以上各種情況的組合多相流動系統(tǒng)的實例氣泡流：抽吸、通風、空氣泵、氣穴、蒸發(fā)、浮選、洗刷。液滴流：抽吸、噴霧、燃燒室、低溫泵、干燥機、蒸發(fā)、氣冷、洗刷。栓塞流：管道或容器中有大尺度氣泡的流動分層流：分離器中的晃動、核反應裝置沸騰和冷凝粒子負載流：旋風分離器、空氣分類器、洗塵器、環(huán)境塵埃流動氣力輸運：水泥、谷粒和金屬粉末的輸運流化床：流化床反應器、循環(huán)流化床泥漿流：泥漿輸運、礦物處理水力輸運：礦物處理、生物醫(yī)學、物理化學中的流體系統(tǒng)沉降流動：礦物處理。4.多相流模型的選擇原則1、基本原則（1）對于體積分數(shù)小于10%的氣泡、液滴和粒子負載流動，采用離散相模型。（2）對于離散相混合物或者單獨的離散相體積率超出10%的氣泡、液滴和粒子負載流動，采用混合模型或歐拉模型。（3）對于栓塞流、泡狀流，采用VOF模型（4）對于分層/自由面流動，采用VOF模型（5）對于氣動輸運，均勻流動采用混合模型，粒子流采用歐拉模型。（6）對于流化床，采用歐拉模型（7）泥漿和水力輸運，采用混合模型或歐拉模型。（8）沉降采用歐拉模型（9）對于更一般的，同時包含多種多相流模式的情況，應根據(jù)最合適的流動特性，選擇合適的流動模型。此時由于模型只是對部分流動特征采用了較好的模擬，其精度必然低于只包含單個模式的流動。2、混合模型和歐拉模型的選擇原則VOF模型適合于分層的或自由表面流，而混合模型和歐拉模型適合于流動中有相混合或分離，或者分散相的體積分數(shù)超過10%的情況（小于10%可使用離散相模型）。1)如果分散相有寬廣的分布（如顆粒的尺寸分布很寬），最好采用混合模型，反之使用歐拉模型。2)如果相間曳力規(guī)律一直，歐拉模型通常比混合模型更精確；若相間曳力規(guī)律不明確，最好選用混合模型。3)如果希望減小計算量，最好選用混合模型，它比歐拉模型少解一部分方程如果要求精度而不在意計算量，歐拉模型可能是更好的選擇.但是要注意，復雜的歐拉模型比混合模型的穩(wěn)定性差，可能會遇到收斂困難。4.選用FLUENT多相流模型的幾個要點多相流的計算，首先是要對要研究的問題要有一個比較詳細的了解。你對模擬過程了解多少，可能的結果是什么?？梢韵胂笠幌履隳M的過程，你想要得到的結果側重點在哪里，等等。然后根據(jù)問題選擇不同的多相流模型。由于不同的模型適合不同的模型，因此首先要對FLUENT各個多相模型有一明確的概念。你如何簡化問題另外，網(wǎng)格的劃分很重要。盡量采用簡單的網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密程度，那些地方要細，那些地方可以疏些，等等。好的前處理對獲得快速收斂的解非常非常重要！5.關于FLUENT不同多相流模型的選擇和比較1)對DPM模型，采用的是Lagraian-Eulerian方法。粒子的運動是按Lagrarian方法，連續(xù)流體的計算是按Eulerian方法。DPM可以跟蹤單獨粒子的運動軌跡。該方法不考慮粒子對連續(xù)流體運動的影響，所以只適用于粒子體積占總體積不大于10%的情況。2)VOF模型。該模型能夠比較好的反映多相流之間的界面情況。比如大的氣泡以比較慢的速度在液體中流動，氣液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各項物性參數(shù)，如密度，粘度等，是各相物性的體積平均值，所以要求各相的速度之間差別不能太大，否則會對計算結果的精度影響很大。一般情況VOF采用非穩(wěn)態(tài)模擬比較好。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。3)Mixture模型。此模型考慮了離散相和連續(xù)相的速度差，及相互之間的作用。但相與相之間是不相容的。動量方程及連續(xù)方程等中各物性參數(shù)采用的是各相體積平均值。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。4)Eulerian模型。此模型可以對各相進行單獨的計算，每相都有單獨的守恒方程。據(jù)有很大的適應性。但代價是由于要對各相都要進行獨自計算迭代，計算機時是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一種折衷。兩相流的物理模型是建立兩相湍流流動方程的基礎。二．泵的簡介兩個或兩個以上不同的相位或組分在一起混合流中的流動現(xiàn)象稱為多相流，多相流動的過程中往往伴隨著各種能量交換，介質交換，化學反應或物理和化學過程。這些過程有很多存在于自然界乃至各行各業(yè)（冶金，石化，電力，能源等）的生產(chǎn)過程中，如在化學工業(yè)中的各種酸性液體、堿性液體混輸并發(fā)生化學物理反應，傳輸液體介質時包含固體顆粒以及粘稠的介質等生產(chǎn)過程都需要用到多相流體混輸泵。因此，多相流體混輸泵在社會發(fā)展的各行各業(yè)都有廣泛的應用前景，也在現(xiàn)代社會的國民經(jīng)濟發(fā)展中扮演了非常重要的角色?，F(xiàn)代社會工業(yè)高度發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)過程都需要輸送多相流體介質，所以多相流體介質的混輸技術是當今社會輸送技術的發(fā)展趨勢。多相流體混輸泵是多相混輸系統(tǒng)中的重要設備，尤其在化工，石油，建筑等工業(yè)領域的作用更為顯著。由于混輸?shù)牧黧w是含固、液、氣及各種雜質的多相流體介質，在混輸?shù)倪^程中氣相和固相含量經(jīng)常超出常規(guī)泵或壓縮機的工作范圍，因此多相混輸泵必須具有泵和壓縮機兩種性能，是一種特殊的增壓設備。上世紀年代以來，國外的高校，各大科研機構和設備公司多方聯(lián)合，投入了大量的財力和物力進行多相流體混輸技術研究。截至目前，國外公司已經(jīng)研發(fā)出了許多不同類型的多相流體混輸泵。為了適應多相流體流動的的復雜性，每種多相粟都有其工作條件與范圍。許多國家的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)應用了這些多相粟，并取得了良好的效果。而國內(nèi)相關的研究較為緩慢，與國外的先進水平差距較大。目前，在勝利、河南中原、遼河、吐哈、江蘇、大港、塔河、大慶等油田已經(jīng)應用多相混輸泵技術，并且大多數(shù)泵的運行良好。螺桿泵是這些油田使用的多相混輸泵的主要類型，約占，并且均是國外的技術。可以看出，在多相流體混輸技術方面，國內(nèi)相比國外起步較晚，研究和應用均存在著一定的差距。因此，導葉式螺旋離心內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值計算與分析加快發(fā)展中國的多相流體混輸系統(tǒng)包括各種化工工業(yè)、石油工業(yè)等特色多相混輸系統(tǒng)對縮短與國外先進水平的差距有著極其重要的意義。多相混輸泉分類多相混輸泵按工作原理的不同可分為兩類：旋轉動力式多相混輸泵和容積式多相混輸泵兩種類型。旋轉動力式多相混輸泵可分為螺旋離心泵、軸流泵以及多級離心錄等，容積式多相混輸錄又分為活塞粟、單螺桿錄、雙螺桿泵等軸流粟：軸流泵屬于低揚程泵，在農(nóng)田灌溉、城市給水排水、調水工程、化工行業(yè)循環(huán)水工程等方面有著廣泛的應用。近年來，在核電、噴水推進等方面也得到了應用。雖然軸流粟在現(xiàn)代輸運系統(tǒng)中應用廣泛，但是由于大多數(shù)軸流粟都是按照清水泵方法來設計制造，所以輸送固液兩相流體介質的軸流泵都會出現(xiàn)不同程度的磨損，而且其磨損進而會造成效率降低，使得原本較低的揚程更低。而在許多工業(yè)生產(chǎn)的過程中，對于多相混輸泵的揚程和效率都有較高的需求，造成其不能完全的適用于某些工業(yè)生產(chǎn)過程。螺桿泵一般在工程應用中分為單螺桿泵與雙螺桿粟，由于單螺桿粟有很多缺點，如較小的容積，長期暴露并接觸的轉子定子，很容易造成定子磨損，橡膠定子需定期更換，故其在多相流混輸?shù)墓I(yè)領域很少應用。而雙螺桿泵具有軸承為外置式，不與流體介質接觸，良好的潤滑條件，并且可強制運輸多相流體介質的特點，因此，無論含氣率如何變化，都可以強制性的將多相流體介質從入口經(jīng)過壓縮腔壓縮再推到排出腔排出，在運行過程中，雙螺桿泵與單螺桿粟相比磨損較小，得到了廣泛的使用。但它也存在許多缺點，例如輸送流量較小，對泥沙敏感，一旦螺桿磨損之后，它的維修量很大，造成雙螺桿粟的壽命低，運行成本高等?；钊檬嵌嘞嗷燧斔谥凶詈唵沃苯拥?，混合流體介質的壓力的升高是通過活塞進行壓縮，再經(jīng)過調節(jié)閥控制流體介質的流入和排出。這種泵適合用于低轉速、高含氣率、高壓力的場合。在年月在加拿大的國際油田的使用是活塞泵第一次應于海下油田。年威德福油田服務有限公司生產(chǎn)了一種柱塞式活塞泵，這種錄年幵始在美國的墨西哥灣進行安裝使用。螺旋離心泵于世紀年代在秘魯研究成功，當初研究該粟的目的是為了輸送活魚，后來發(fā)現(xiàn)該粟在固液兩相流方面的輸送性能較好，所以在現(xiàn)代化工業(yè)的多相混輸方面，螺旋離心泵也用來排水和輸送高粘度液體。為了防止固體物質堵塞，螺旋離心泵采用帶有扭曲的螺旋葉片，使過流介質順利的流出幵閉式葉輪中，葉片的半徑逐漸增大，形成螺旋形流道。一般螺旋離心泵的殼體由吸入蓋和鍋殼兩部分組成。吸入蓋部分的葉輪，像螺桿泵一樣，產(chǎn)生螺旋推進作用，蝸殼段的葉輪像一般的離心粟產(chǎn)生離心作用。葉輪進口的前端盡可能的前伸，將多相流體介質導向葉輪內(nèi)，再利用螺旋推進作用使之沿流道前進。這種泵像容積泵與離心泵的組合，故稱為螺旋離心泵。螺旋離心泵在現(xiàn)代工業(yè)各個領域都有較廣泛的應用，尤其在多相混輸方面有不錯的表現(xiàn)。由于其有容積粟與離心泵兩方面的作用，螺旋離心泵與一般離心泵相比具有以下優(yōu)點：良好的抗堵塞能力。在螺旋離心泵中，從泵的進口到出口的過流流道中，流體介質流過的過流截面的面積均比較大，過流截面無劇變。這樣的過流截面可以保證其內(nèi)部通過粒徑較大的固體顆粒而不會出現(xiàn)堵塞。對過流介質無損性能好。在導葉式螺旋離心泵的過流流道中，均衡的螺旋力把混輸介質包括固液兩相介質以及固液氣三相介質逐步螺旋的向前推進，使得介質在泵內(nèi)流動狀況無突然變化，故介質具有平穩(wěn)的流動狀態(tài)，這一特性也讓螺旋離心泵對輸送介質的破壞性小于其它型式的雜質粟和旋流泵，也使得它可以用來輸送各種多相流體介質。具有良好的調節(jié)性能。它的揚程一流量曲線近似于一條直線，揚程的較大變化可以通過流量的較小變化來實現(xiàn)，這一特點能保證粟穩(wěn)定運行，污水處理用粟經(jīng)常會碰到這種情況。泵的吸入性能好。可輸送高濃度、高粘度和含氣介質，而它在中等程度雷諾數(shù)區(qū)附近也可達到一般普通泵的效率水平。具有良好的抗汽燭性能。螺旋離心泵的葉片進口邊在設計過程中盡可能靠前地向吸入口延伸，可使葉片較早的對流體介質做功，這樣的設計使得螺旋離心粟吸入口到葉片進口邊的壓降減小，降低了泵的必需汽燭余量，進而提高了泵的汽蝕性能。導葉式螺旋離心粟內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值計算與分析可抽送含氣體的液體。當吸入微量氣體時，泵的性能、振動、噪聲不會發(fā)生變化，當氣體含量達到時，雖然會反復產(chǎn)生連續(xù)劇烈振動，但泵仍能運行。具有良好的抗磨燭性能，過流部件壽命長。由于導葉式螺旋離心泵內(nèi)過流介質的流速較低，流速大小與方向的變化比較緩慢，使得漩禍回流等在相當程度上得到抑制，削弱了汽燭和磨損這兩個容易引起葉輪和粟體破壞的主要因素。所以導葉式螺旋離心泵過流部件以及泵整體的壽命比其它葉片泵提高幾倍。在大流量區(qū)理想的噪聲特性。但是當粟從最高效率點流量到關死點附近區(qū)域運行時，會產(chǎn)生很大的噪聲和振動。鑒于螺旋離心泵的上述優(yōu)點，其在工業(yè)生產(chǎn)中也已經(jīng)不局限為輸污水，化工介質等方面，而且在輸送高粘度液體、含有較大顆粒直徑的的化工介質以及纖維狀織物的兩相流體等多方面也有著廣泛的應用。但是由于一般螺旋離心泵的壓水室為螺旋形壓水室，不能讓流體介質有軸向的進出口，在受使用條件限制，例如在用做潛水泵或深井泵等流體介質需要較小的軸向尺寸以及軸向流動場合時無法滿足需要，使其在許多工業(yè)生產(chǎn)中的使用受到限制。劉棟等、楊敏官等、袁壽其等、李斌等對特殊用途離心泵內(nèi)部三維固液兩相湍流數(shù)值模擬分析，獲得了內(nèi)部流動規(guī)律；潘中永等分別對攪拌罐內(nèi)的漿體兩相流進行了研究。在氣液兩相流方面的研究主要有Hazra采用雷諾時均方程和混合長度模型模擬連續(xù)相、拉格朗日方法模擬分散相，對泵內(nèi)的稀疏兩相流進行了研究。Jose采用基于離心泵葉輪內(nèi)氣泡受力分析的數(shù)值模擬技術，對離泵抽送氣水混合物進行計算，并與試驗結果對比，給出兩相流條件下的揚程損失，也得出了氣泡尺寸與氣泡體積分數(shù)之間的影響關系；Francois等在專用試驗臺架上對不同設計軸流式離心泵模型進行測試，為高效分離和抽送軸流式離心泵的關鍵設計和運行參數(shù)提供了依據(jù)，發(fā)展了軸流式離心泵的理論模型，并應用于氣油兩相流的抽送；黃思探討了氣液兩相介質在螺旋軸流式葉片泵內(nèi)的流動規(guī)律。謝鵬等通過對氣液混輸泵的試驗研究，分析了含氣量和氣液混合總流量兩個關鍵因素變化對汽蝕性能的影響；李昳等對漩渦泵內(nèi)部氣液兩相流場進行了數(shù)值模擬，初步揭示了該泵內(nèi)氣液兩相流動特征；余志毅等提出了一種氣液兩相流的壓力修正算法，具有較寬的進口含氣率適用范圍；范麗丹等對液力耦合器內(nèi)汽液兩相流進行了數(shù)值模擬，并對其進行了PIV試驗測試；向清江等采用流體體積函數(shù)兩相流數(shù)學模型，對射流元件穩(wěn)定附壁情況下二維及三維流場進行數(shù)值模擬；李玉龍等建立了基于油液離心作用的下容積效率、困油區(qū)間內(nèi)含氣比和進油側修正含氣比的計算公式；何勇靈引入基于氣泡溶解和析出的物理過程的氣泡模型，對柴油機噴油系統(tǒng)分別進行仿真，試驗數(shù)據(jù)進行了對比。三．總結隨著計算機技術的進一步發(fā)展，隨著人們對于多相流動理論的進一步研究，數(shù)值模擬技術已經(jīng)大大減少了以往產(chǎn)品設計的時間，精力，提高了工作效率。對于生活中的各種問題，都可以采取數(shù)值模擬的方法加以分析，為人類的發(fā)展做出重大貢獻。動力氣象試題分類試題參數(shù)(分值，難度系數(shù)，知識點，題型)組卷參數(shù)（題型比例，難度比例，章節(jié)比例）填空題1.控制大氣運動的基本物理定律有牛頓第二定律、質量守恒定律、熱力學能量守恒定律和氣體實驗定律。(8,1,2,1)2.在旋轉地球上，一個運動著的空氣微團所受的基本作用力氣壓梯度力、科里奧利力、慣性離心力和摩擦力。(8,1,2,1)3.中緯度大尺度運動具有以下基本性質，即準水平、準定常、準地轉平衡、準靜力平衡和準水平無輻散。(10,1,2,1)4.環(huán)流和渦度都是描述流體渦旋運動的物理量，前者是對流體渦旋運動的宏觀度量，后者是對流體渦旋運動的微觀度量。(4,1,6,1)5.在埃克曼層中，風速隨高度增加增大，風向隨高度增加順轉。(4,1,8,1)6.P坐標系中，地轉風的表達式是，地轉風渦度的表達式是。(4,1,4,1)7.平流時間尺度，氣壓水平變動的地轉尺度。(4,2,3,1)8.科氏力是一種視示力，科氏力的方向始終與運動的方向垂直。(4,1,2,1)9.建立坐標系的物理基礎是大氣的靜力平衡性質，坐標系中靜力平衡方程的形式為，連續(xù)方程的形式為。(6,1,4,1)10.定常情況下，?？寺鼘又械娜ζ胶馐侵负汀⑺綒鈮禾荻攘?、科里奧利力、和湍流粘性應力之間的平衡。(6,1,8,1)11.理查孫數(shù)是湍流運動發(fā)展的重要判據(jù)，其定義式為=。(2,1,8,1)12.任意高度z的氣壓，其物理意義為任意高度上的氣壓相當精確地等于該高度以上單位截面積空氣柱的重量。(4,1,4,1)13.700百帕地轉風為東風4,500百帕地轉風為西風8，則700-500百帕之間的熱成風為西風12。(4,1,5,1)14.地轉風向隨高度增加逆時針轉動，與此相伴隨的溫度平流為冷平流，地轉風向隨高度增加順時針轉動，與此相伴隨的溫度平流為暖平流。(4,1,5,1)15.在大氣行星邊界層中，近地面層又稱為常值通量層，上部摩擦層又稱為?？寺鼘印?4,1,8,1)16.大氣中的四種基本能量形式是內(nèi)能、位能、動能和潛熱能。(8,1,9,1)17.寫出以下無量綱數(shù)的定義式，基別爾數(shù)，羅斯貝數(shù)。(4,1,3,1)18.相對渦度在自然坐標系中的表達式是。(2,1,6,1)19.Rossby變形半徑，當初始非地轉擾動的水平尺度時，風場向氣壓場適應。(4,1,10,1)20.正壓適應過程的物理機制是重力慣性外波對初始非地轉擾動能量的頻散，適應的速度主要依賴于重力慣性外波的群速和初始非地轉擾動的水平尺度和強度。(6,1,10,1)21.根據(jù)準地轉位勢傾向方程，高空槽前為正渦度平流區(qū)，等壓面位勢高度會降低，槽區(qū)有冷平流，有利于槽加深。(4,1,11,1)22.正壓不穩(wěn)定是發(fā)生在具有水平切變基流中的長波不穩(wěn)定，斜壓不穩(wěn)定是發(fā)生在具有垂直切變基流中的長波不穩(wěn)定。(4,1,12,1)23.根據(jù)準地轉理論，平流過程總是對地轉平衡和靜力平衡起破壞作用，而疊置在準地轉水平環(huán)流上的二級環(huán)流總是對地轉平衡和靜力平衡起維持作用。(4,1,12,1)24.第一、二類準地轉運動出現(xiàn)的條件分別是和。(4,1,11,1)25.斜壓適應過程的物理機制是重力慣性內(nèi)波對初始非地轉擾動能量的頻散，適應的速度主要依賴于重力慣性內(nèi)波的群速和初始非地轉擾動的水平尺度和強度。(6,1,10,1)26.連續(xù)方程是質量守恒定律定律的數(shù)學表述。它表明密度和風場是相互制約的。(6,1,2,1)27.根據(jù)準地轉方程，正渦度平流隨高度增加，有利于產(chǎn)生上升運動，冷平流有利于產(chǎn)生下沉運動。(4,1,11,1)28.正壓不穩(wěn)定的必要條件為，正壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能量來自基本緯向氣流的平均動能。(4,1,12,1)29.旋轉層結大氣中可能出現(xiàn)的四種基本波動是聲波、重力波、慣性波和羅斯貝波。(8,1,9,1)。30.大氣中兩種存在兩種最基本的動力學過程，即地轉適應過程和準地轉演變過程。(4,1,10,1)。31.根據(jù)準地轉位勢傾向方程，高空槽脊系統(tǒng)的移動是由渦度平流造成的，而高空槽脊系統(tǒng)的發(fā)展是由溫度平流造成的。(4,1,11,1)32.聲波是由大氣的可壓縮性造成的，重力內(nèi)波生成的必要條件是大氣層結是穩(wěn)定的。(4,1,10,1)33.Rossby變形半徑，當初始非地轉擾動的水平尺度時，氣壓場向風場適應。(4,1,10,1)34.科氏力是一種視示力，當空氣微團沿赤道向東運動時，科氏力的方向指向天頂；在赤道向北運動時，科氏力為零。(6,1,2,1)35.所謂力管是指間隔一個單位的等壓面和等比容面相交割成的管子，力管存在的充要條件是大氣的斜壓性。(4,1,6,1)36.根據(jù)準地轉斜壓兩層模式的分析結果，影響斜壓不穩(wěn)定的主要因子是波長、垂直風切變、靜力穩(wěn)定度和效應。(8,1,11,1)37.建立熱成風關系的物理基礎是地轉平衡和靜力平衡。(4,1,5,1)38.正壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能量來自基本緯向氣流的平均動能，斜壓不穩(wěn)定擾動發(fā)展的能量來自有效位能的釋放。(4,1,12,1)是非判斷題1.等壓面圖上等高線與等溫線重合,此大氣一定是正壓的。(2,1,4,2)2.Rossby數(shù)可以表示為相對渦度與牽連渦度之比。(2,1,4,2)3.采用準地轉近似不可能濾去所有快波。(2,3,9,2)4.Boussinesq近似只適用于大氣淺層運動。(2,1,9,2)5.頻散波的相速與群速一定不等。(2,1,9,2)6.正壓地轉適應過程中,渦度與散度隨時間變化很大,但位勢渦度總是不變。(2,1,10,2)7.斜壓不穩(wěn)定波的增長率與鉛直風切變有關,與波數(shù)無關。(2,1,12,2)8.大氣中絕大部分全位能不能用來轉換成動能。(2,1,7,2)9.只要大氣是斜壓的,就一定會產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定(2,1,12,2)10.等壓面圖上等高線愈密集的地區(qū)水平氣壓梯度力愈大。(2,1,4,2)11.等壓面圖上等溫線愈密集的地區(qū)大氣的斜壓性愈強。(2,1,5,2)12.等壓面上氣壓處處相等，因此等壓面上的水平氣壓梯度力處處為零。(2,1,4,2)13.平流過程總是對地轉平衡和靜力平衡起破壞作用。(2,1,11,2)14.疊置在準地轉水平環(huán)流上的二級環(huán)流總是對地轉平衡和靜力平衡起恢復和維持作用。(2,1,11,2)15.定常流場中流線與軌跡相重合。(2,1,5,2)16.對于氣旋性流動，梯度風速比地轉風速要小。(2,1,5,2)17.對于反氣旋性流動，梯度風速比地轉風速要大。(2,1,5,2)18.大氣的斜壓性是地轉風隨高度改變的充分與必要條件。(2,1,4,2)19.若正壓大氣中，非地轉擾動充滿全球，此種情形無地轉適應過程。(2,3,10,2)20.斜壓不穩(wěn)定是中緯度天氣尺度擾動發(fā)展最主要的物理機制。(2,1,11,2)21.?？寺鼘又酗L總有指向低壓一側的分量。(2,1,8,2)22.低壓區(qū)一定有水平輻合，高壓區(qū)一定有水平輻散。(2,3,8,2)23.斜壓性愈強，層結愈不穩(wěn)定，大氣中的有效位能愈充沛。(2,1,7,2)24.局地直角坐標系中、、軸的方向在空間中是固定不變的。(2,2,2,2)25.局地直角坐標系保持了球坐標系的標架方向，但忽略了球面曲率的影響。(2,2,2,2)26.在極區(qū)采用局地直角坐標系是不適宜的。(2,2,2,2)27.大氣運動不可能在嚴格的地轉平衡和靜力平衡條件下進行。(2,2,7,2)28.坐標系渦度方程中不含力管項，因此大氣的斜壓性對渦度變化的沒有作用。(2,2,6,2)29.斜壓大氣中的準地轉運動不可能是純水平運動。(2,2,11,2)30.描寫準地轉渦旋運動的演變發(fā)展，可以不考慮水平輻合輻散的影響。(2,2,11,2)計算題1.計算跟隨地球一起旋轉的空氣微團的牽連速度。(10,2,2,3)2.一人造地球衛(wèi)星從南半球飛向北半球，通過赤道時，其飛行方向與赤道成交角，相對水平速度為，試求它的科里奧利加速度。(10,2,2,3)，方向指向地心。3.一物體在的地方由高度上自由下落，若不計空氣阻力，只考慮重力和科里奧利力作用，試求著地時物體偏移的方向和距離。(10,2,2,3)向東偏移。4.700百帕地轉風為東風4ms,500百帕地轉風為西風8ms，計算700-500百帕之間熱成風的大小和方向。(5,1,5,3)西風。5.設地球為正球體，試計算海平面上地球引力與重力之間的夾角，又夾角的最大值為多少？(10,3,2,3)。6.計算赤道上空重力等于零的高度，一人造地球衛(wèi)星進入該高度繞地球旋轉的周期為多少？(10,3,2,3)，7.45°N處，700hPa等壓面圖上3000gpm和2960gpm兩根等高線間最短距離為190km，問地轉風有多大？(5,1,5,3)8.當羅斯貝數(shù)=0.1時，取地轉風近似的相對誤差有多大？(5,2,5,3)10/1009.考慮隨緯度的變化，若取，試計算45°N處的地轉風散度的大小。(5,2,6,3)10.一龍卷以常值角速度ω旋轉，設離中心處，地面氣壓為，溫度為T（設為常值），證明龍卷中心的地面氣壓為如果T=288K，離中心100m處氣壓為1000hPa，風速為100，問中心氣壓為多大？(5,2,5,3)11.12.13.實際風偏于地轉風右側30°，如果地轉風為20，計算水平速度大小隨時間的變率（設）。(5,1,5,3)14.700百帕地轉風為西風4ms,500百帕地轉風為東風8ms，計算700-500百帕之間熱成風的大小和方向。(5,1,5,3)東風。15.正壓大氣中，在30°N有一圓形空氣柱，其半徑為100km，如果初始時空氣是靜止的，當空氣柱膨脹至原半徑的兩倍時，周界上平均切線速度為多大？(10,2,6,3)16.計算以下四種圓運動的渦度（1）（2）（3）（4）式中為常數(shù)。(10,1,6,3)（1），（2），（3），（4）17.在高度上，實測到，取湍流系數(shù)，密度，求該高度上的湍流粘性應力。(5,2,8,3)18.取，試根據(jù)?？寺菥€解計算，1000高度上的、。提示,(10,2,8,3)19.取，試根據(jù)?？寺菥€解計算，600高度上的、。提示,(10,2,8,3)20.如果地轉風為8m/s，偏差風與地轉風垂直且大小為2m/s，試求處單位質量空氣微團水平動能隨時間的變化率。(5,2,8,3)名詞解釋1．尺度分析法(5,2,3,4)尺度分析法是一種對物理方程進行分析和簡化的有效方法。尺度分析法是依據(jù)表征某類運動系統(tǒng)的運動狀態(tài)和熱力狀態(tài)各物理量的特征值，估計大氣運動方程中各項量級大小的一種方法。根據(jù)尺度分析的結果，結合物理上考慮，略去方程中量級較小的項，便可得到簡化方程，并可分析運動系統(tǒng)的某些基本性質。2．二級環(huán)流(5,2,8,4)由于湍流摩擦作用，埃克曼層中風有指向低壓一側的分量，在低壓上空產(chǎn)生輻合上升運動，同理在高壓上空產(chǎn)生輻散下沉運動，這種由水平輻合輻散和垂直運動形成的鉛直環(huán)流迭加在準地轉水平環(huán)流之上，稱之為二級環(huán)流。行星邊界層的湍流摩擦通過二級環(huán)流可以直接影響自由大氣中的運動，使準地轉渦旋強度減弱。3．有效位能(5,2,7,4)大氣現(xiàn)有狀態(tài)下的全位能與經(jīng)過絕熱調整后達到層結穩(wěn)定、等壓面等溫面重合且呈水平分布狀態(tài)（這一狀態(tài)稱為參考狀態(tài)）時尚存的全位能之差，定義為有效位能。大氣的斜壓性越強，層結越不穩(wěn)定時，有效位能越充沛。4．地轉偏差(5,1,5,4)實際風與地轉風的矢量差定義為地轉偏差。地轉偏差用表示，則。地轉偏差和水平加速度方向相垂直，在北半球指向水平加速度的左側，地轉偏差的大小和水平加速度成正比，和緯度的正弦成反比。地轉偏差雖然很小，但對大氣運動的演變卻起著極為重要的作用。5．地轉風(5,1,5,4)等壓線為一族平行的直線（）時的平衡流場稱為地轉風場，或稱為地轉運動。在地轉運動中，水平氣壓梯度力與科里奧利力相平衡。地轉風的方向與等壓線相平行，在北半球（＞0），高壓在速度方向右側，低壓在速度方向左側；地轉風大小與水平氣壓梯度成正比，與密率和緯度的正弦成反比。地轉風關系的重要性在于揭示了大尺度運動中風場和水平氣壓場之間的基本關系。6．旋轉減弱(5,2,8,4)在旋轉大氣中，由?？寺鼘幽Σ凛椇蠌娖仍斐傻亩壄h(huán)流大大加強了行星邊界層與自由大氣之間的動量交換，使得自由大氣中的渦旋系統(tǒng)強度快速減弱，這種現(xiàn)象稱為旋轉減弱。7．羅斯貝數(shù)(5,1,3,4)羅斯貝數(shù)的定義式為，它代表水平慣性力與水平科里奧利力的尺度之比。羅斯貝數(shù)的大小主要決定于運動的水平尺度。對于中緯大尺度運動，，科里奧利力不能忽略不計，對于小尺度運動，，科里奧利力可忽略不計。8．熱成風(5,1,5,4)熱成風定義為鉛直方向上兩等壓面上地轉風的矢量差。熱成風方向與等平均溫度線（即等厚度線）平行，在北半球暖區(qū)在熱成風方向右側，冷區(qū)在熱成風方向左側；熱成風大小與平均溫度梯度成正比，與緯度的正弦成反比。熱成風關系的重要性就在于具體地揭示了靜力平衡大尺度運動中風場、氣壓場、溫度場之間的關系。9.拉姆波(5,2,9,4)受地球旋轉作用影響，在靜力平衡大氣中只沿水平方向傳播的特殊聲波，稱為拉姆波。與純水平聲波不同，拉姆波是一種水平尺度較大的頻散快波。拉姆波屬于外波型波動，其擾動氣壓隨高度按指數(shù)減小，但擾動速度隨高度幾乎不改變。10.?？寺槲?5,2,8,4)由于湍流摩擦作用，?？寺鼘又酗L有指向低壓一側的分量，在低壓上空產(chǎn)生輻合上升運動，同理在高壓上空產(chǎn)生輻散下沉運動，這種上升下沉運動在邊界層頂達到最強，這種現(xiàn)象稱為稱為埃克曼抽吸。11.位勢渦度(5,2,6,4)位勢渦度簡稱位渦，位渦是一個同時描寫大氣熱力狀態(tài)和運動狀態(tài)的綜合物理量，在某種意義上可以理解為渦旋強度與其有效厚度之比的度量。在絕熱無摩擦條件下，位渦具有守恒性質。12.正壓大氣(5,1,5,4)密度的空間分布只依賴于氣壓的大氣狀態(tài)稱作正壓大氣。正壓大氣中等壓面、等密度、等溫面重合在一起。在靜力平衡條件下，正壓大氣中各等壓面相互平行，因而某一等壓面在空間的傾斜狀態(tài)可以代表所有等壓面的傾斜狀態(tài)。13.斜壓大氣(5,1,5,4)密度的空間分布不僅依賴于氣壓而且依賴于溫度的大氣狀態(tài)稱作斜壓大氣。斜壓大氣中等壓面與等溫面、等密度面是交割的。實際大氣經(jīng)常處于斜壓狀態(tài)。大氣的斜壓性對地球大氣的運動具有重要影響。14.正壓不穩(wěn)定(5,1,12,4)發(fā)生在具有水平切變基本緯向氣流中的長波不穩(wěn)定稱為正壓不穩(wěn)定，正壓不穩(wěn)定的必要條件是基本緯向氣流的絕對渦度在區(qū)間內(nèi)存在極值，擾動發(fā)展的能量來自基本緯向氣流的平均動能。15.斜壓不穩(wěn)定(5,2,12,4)發(fā)生在具有垂直切變基本緯向氣流中的長波不穩(wěn)定稱為斜壓不穩(wěn)定，長波的斜壓不穩(wěn)定與垂直風切變和波長有關，最不穩(wěn)定波長約為。擾動發(fā)展的能量主要來自來自有效位能的釋放，斜壓不穩(wěn)定是中緯度天氣尺度擾動發(fā)生發(fā)展的主要物理機制。16.對稱不穩(wěn)定(5,3,12,4)所謂對稱不穩(wěn)定，是指在具有風速切變的基本氣流中，即使在鉛直方向和水平方向分別是對流穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定的，但是當空氣作傾斜上升運動時，在浮力和旋轉的共同作用下，仍然可能出現(xiàn)的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。由于在早期的研究中，認為這是一種由對稱環(huán)狀渦旋中的經(jīng)向擾動所引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象，故稱為對稱不穩(wěn)定。后來，Emanuel等進一步論證了對稱不穩(wěn)定的中尺度特征，以及它在導致中尺度擾動不穩(wěn)定增長中的重要作用，因此又稱為中尺度對稱不穩(wěn)定。17.慣性不穩(wěn)定(5,2,12,4)在基本流場為西風且有水平切變的情況下，氣塊因受到南北擾動離開原來位置后，在科里奧利力作用下產(chǎn)生的不穩(wěn)定稱為慣性不穩(wěn)定。出現(xiàn)慣性不穩(wěn)定性的判據(jù)為基本流場的絕對渦度為負值。18.大氣行星邊界層(5,1,8,4)接近地球表面的厚度約為1－1.5km的一層大氣稱為大氣行星邊界層。邊界層大氣直接受到下墊面的熱力作用和動力作用，具有強烈的湍流運動特征和不同于自由大氣的運動規(guī)律。19.開爾文環(huán)流定理(5,1,6,4)根據(jù)絕對環(huán)流定理，絕對環(huán)流的加速度等于環(huán)線包圍力管的代數(shù)和。對于正壓大氣，由于比容、密度僅是氣壓的函數(shù)，力管項等于零，因此，正壓大氣中絕對環(huán)流守恒。這一結論稱為Kelvin環(huán)流定理。20.Boussinesq近似(5,2,9,4)對于淺層運動，如果在運動方程中部分考慮密度擾動的影響，即只保留與重力相耦合的密度擾動項；連續(xù)方程中忽略密度擾動影響，簡化為不可壓縮形式；熱力學能量方程保留密度擾動影響，只保留膨脹的作用，即取；這種近似叫作包辛內(nèi)斯克近似。21.Richardson數(shù)(5,2,3,4)理查德孫（Richardson）數(shù)的定義式為，它代表垂直慣性力與水平科里奧利力的尺度之比。由于，理查德孫數(shù)又是一個與大氣層結穩(wěn)定度和風的鉛直切變有關的動力學參數(shù)。層結愈不穩(wěn)定，風的鉛直切變愈強，則愈有利于湍流和對流運動的發(fā)展，所以可用于判斷對流或擾動發(fā)展的條件。22.波包跡(5,3,9,4)在實際大氣中，一個瞬變擾動可以看成是由許多不同振幅、不同頻率的簡諧波疊加而成的，這種合成波稱為波群或波包。這種合成波列振幅的包絡線稱為波包跡，其傳播的速度稱為群速。23.平面近似(5,1,3,4)在中緯度地區(qū)，若運動的經(jīng)向水平尺度遠小于地球半徑時，可以取，即把作為常數(shù)處理，這種近似稱為“”近似。取“”近似相當于完全沒有考慮地球球面性所引起的隨緯度的變化。高一級近似是所謂的平面近似，其主要內(nèi)容是：當處于系數(shù)地位不被微商時，?。划斕幱趯η笪⑸痰匚粫r，取。采用平面近似后，用局地直角坐標系討論大尺度運動將是方便的。雖然由于球面效應引起的曲率項被忽略了，但球面效應引起的隨緯度的變化對大尺度運動的作用卻部分保留下來了。24.自然坐標系(5,2,5,4)自然坐標系中三個坐標、、的方向分別用單位矢量、、表示。在空間任一點上，都與該點水平氣流方向相一致，是的法向量，并指向水平氣流的左側，的方向鉛直向上。采用自然坐標系討論平衡流場的一般性質非常方便。25.梯度風(5,1,5,4)最一般的平衡流場稱為梯度風場。在梯度風運動中，水平氣壓梯度力、科里奧利力、慣性離心力相平衡。地轉風是時梯度風的一個特例。26.準地轉近似(5,2,11,4)準地轉近似是為了合理地描寫中緯天氣尺度的準地轉運動而引入的一種動力學近似，其含義為除散度項外，方程中的水平速度和渦度都取為地轉風和地轉渦度。取準地轉近似后得到的準地轉方程組既突出了中緯度大尺度運動的的準地轉性質，又保留了維持準地轉平衡所必須的水平輻合輻散，而且很好地保持了運動的若干整體性質，因此能夠更為合理地描寫中緯大型天氣演變過程。27.局地直角坐標系(5,2,2,4)局地直角坐標系兼具笛卡爾坐標系和球坐標系的特點，它保持了球坐標系的標架，但忽略了球面曲率的影響；局地直角坐標系與笛卡爾坐標系方程組的形式相同，但笛卡爾坐標系中坐標軸的方向在空間中固定不變，而局地直角坐標系中坐標軸的方向隨地而異。如果我們的研究范圍僅限于中低緯大氣的大尺度運動，那么局地直角坐標系中的基本方程組已相當精確。28.科里奧利力(5,1,2,4)科里奧利力是一種視示力，它只是在物體相對于地球有運動時才出現(xiàn)。單位質量空氣微團所受的科里奧利力為。始終與和相垂直，而與赤道平面垂直，所以必通過運動微團所在的緯圈平面內(nèi)。在北半球，科里奧利力指向速度的右方，科里奧利力對空氣微團不作功，它不能改變空氣微團的運動速度大小，只能改變其運動方向。29.Taylor-Proudman定理(5,3,6,4)若流體是均質（或正壓）不可壓縮的流體，且運動是定常緩慢的，則運動速度只是在與相垂直的平面內(nèi)才可能有差異，故運動是二維的，這就是Taylor-Proudman定理。30.薄層近似(5,1,2,4)大氣中90﹪以上的質量集中在離地表的一薄層中，其有效厚度約為幾十公里，遠比地球平均半徑小，因此可取。其中是地球半徑，是離地表的鉛直高度。球坐標系的運動方程中，當處于系數(shù)地位時用來代替，當處于系數(shù)地位時用z來代替，這一近似郭曉嵐稱之為薄層近似。問答題（1）何謂平面近似？取平面近似有何意義？答：平面近似的主要內(nèi)容是：當處于系數(shù)地位不被微商時，取；當處于對求微商地位時，取。采用平面近似后，用局地直角坐標系討論大尺度運動將是方便的。雖然由于球面效應引起的曲率項被忽略了，但球面效應引起的隨緯度的變化對大尺度運動的作用卻部分保留下來了。（2）何謂地轉偏差？它對大氣運動的演變發(fā)展有何重要作用?答：為了量度實際風偏離地轉風的程度，我們將實際風與地轉風的矢量差定義為地轉偏差。地轉偏差用表示，則。地轉偏差雖然很小，但對大氣運動的演變卻起著極為重要的作用。有地轉偏差時，空氣微團才可能作穿越等壓線運動，從而引起質量重新分布，造成氣壓場和風場的變化，所以地轉偏差是天氣系統(tǒng)演變的一個動力因子；地轉偏差對大氣運動動能的制造和轉換起著重要作用；地轉偏差對水平散度和鉛直運動也有重要意義。（3）何謂p坐標系，p坐標系的主要優(yōu)缺點是什么？答：用氣壓作為鉛直坐標變量的坐標系稱為坐標系，大氣的靜力平衡性質是建立坐標系的物理基礎。坐標系的主要優(yōu)點是：（1）坐標系中的大氣運動方程組具有較簡單的形式，例如氣壓梯度力項成為線性項，連續(xù)方程，成了一個診斷方程。（2）坐標系適合日常氣象業(yè)務工作的需要，采用坐標系方程組進行診斷計算與分析十分方便。坐標系的主要缺點是不能正確地給出下邊界條件，難以考慮地形對大氣運動的作用和影響。此外，對于小尺度運動不滿足靜力平衡條件，自然不能用坐標系運動方程組來描述它們的運動規(guī)律。（4）靜力平衡條件下的能量形式和能量關系有何特點？答：在靜力平衡條件下，一個從海平面延伸至大氣上界的鉛直氣柱中的內(nèi)能和位能成成正比，其比率近似等于；靜力平衡條件下，為了保持總能量守恒性質，動能必須重新定義為水平速度的；靜力平衡條件下，動能與全位能之間的轉換是通過冷暖空氣的垂直運動來實現(xiàn)的。（5）什么是正壓大氣？正壓大氣具有哪些基本性質?密度的空間分布只依賴于氣壓的大氣狀態(tài)稱作正壓大氣。正壓大氣中等壓面、等密度、等溫面重合在一起。在靜力平衡條件下，正壓大氣中各等壓面相互平行，因而某一等壓面在空間的傾斜狀態(tài)可以代表所有等壓面的傾斜狀態(tài)。正壓大氣中等壓面坡度不隨高度變化，因此地轉風也不隨高度變化。（6）什么是尺度分析法？對大氣運動方程組進行尺度分析有何意義？答：尺度分析法是依據(jù)表征某類運動系統(tǒng)的運動狀態(tài)和熱力狀態(tài)各物理量的特征值，估計大氣運動方程中各項量級大小的一種方法。根據(jù)尺度分析的結果，結合物理上考慮，略去方程中量級較小的項，便可得到簡化方程，并可分析運動系統(tǒng)的某些基本性質。1、什么是大氣行星邊界層？大氣行星邊界層可分為幾個層次？說明各層次的主要特點。答：接近地球表面的厚度約為1－1.5km的一層大氣稱為大氣行星邊界層。邊界層大氣直接受到下墊面的熱力作用和動力作用，具有強烈的湍流運動特征和不同于自由大氣的運動規(guī)律。大氣行星邊界層自下而上分為貼地層、近地面層和?？寺鼘印ＹN地層中平均風速為零。在近地面層中風速隨高度呈對數(shù)分布，湍流對動量、熱量、水汽的鉛直輸送通量幾乎不隨高度改變，所以又稱為常值通量層。?？寺鼘又酗L隨高度呈埃克曼螺線分布，湍流粘性應力和科里奧利力、水平氣壓梯度力幾乎同等重要，而且這三個力基本上相平衡。2、利用準地轉兩層斜壓模式討論斜壓不穩(wěn)定得到哪些主要結論？（試從斜壓不穩(wěn)定與波長、垂直風切變、靜力穩(wěn)定度、因子的關系加以說明）答：長波的斜壓不穩(wěn)定主要決定于波長和垂直風切變，只有波長大于臨界波長的波動才可能產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，最不穩(wěn)定波長約為，垂直風切變需要達到一定的強度才可能產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，垂直風切變越強越有利于產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定。由于斜壓不穩(wěn)定波的臨界波長隨靜力穩(wěn)定度的增大而增大，因而靜力穩(wěn)定度對較短波長的波動具有穩(wěn)定作用。此外效應對較長波長的波動具有很強的穩(wěn)定作用。3、什么是地轉適應過程？什么是準地轉演變過程？簡述這兩種過程的基本特征。答：地轉平衡態(tài)遭到破壞后，通過風場和氣壓場之間的相互調整和相互適應，重新建立起新的地轉平衡態(tài)的過程，稱作地轉適應過程。準地轉平衡態(tài)的緩慢變化（演變）過程，稱作準地轉演變過程。地轉適應過程是一種快過程，位勢運動顯著，運動基本上是線性的；準地轉演變過程是一種慢過程，運動具有準渦旋性質，運動是非線性的。4、在準地轉環(huán)流上必疊加有二級環(huán)流，試說明這種二級環(huán)流產(chǎn)生的原因是什么？有何重要作用？答：斜壓大氣中不僅存在渦度平流，而且存在溫度平流，這些平流過程總是對地轉平衡和靜力平衡起破壞作用。平衡被破壞后必然激發(fā)出水平輻合輻散和鉛直運動，從而形成鉛直面上的二級環(huán)流。這種疊加在準地轉環(huán)流之上的二級環(huán)流通過水平輻合輻散對渦度場進行調整，通過鉛直運動對溫度場進行調整，由此建立起新的地轉平衡和靜力平衡。因此，這種疊加在準地轉環(huán)流之上的二級環(huán)流是維持地轉平衡和靜力平衡所必須的，即總是對平流過程對地轉平衡和靜力平衡的破壞起補償作用。5、斜壓不穩(wěn)定波具有哪些的結構特點？并說明這些結構特點對于斜壓擾動的不穩(wěn)定增長是十分有利的。答：1．流場擾動的振幅隨高度增強，同時槽脊線隨高度是向西傾斜的。2．溫度場擾動（）的位相落后于流場擾動的位相，即溫度槽落后于流場槽（氣壓槽）。3．在平均層上（