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2025年大学《气象技术与工程》专业题库——大气湍流对气象技术的挑战

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述大气湍流的基本特征。请至少包含湍流的时变性、空间异质性、强度度量以及典型湍流尺度等要素。

二、

大气湍流对多普勒天气雷达的信号接收和信号处理分别会产生哪些主要影响？请详细说明。

三、

阐述大气湍流对风能资源评估和风力发电机组安全运行构成的主要挑战。分析风速和风向的湍流特性如何影响风力发电效率。

四、

低空风切变和空中湍流是影响航空飞行安全的重要因素。请分别说明这两种现象的成因及其对飞机起降和飞行过程可能造成的具体危害。

五、

大气中的气溶胶和云粒子会与激光雷达的探测信号发生相互作用。描述湍流存在时，这些相互作用如何影响激光雷达的后向散射信号强度和信号传播特性。

六、

卫星遥感依赖于大气窗口的相对透明性。大气湍流（如大气闪烁）如何影响卫星对地观测的质量？提出至少两种减轻或补偿这种影响的技术思路或方法。

七、

结合你所学的气象技术知识，列举至少三种不同的气象探测或应用技术，并分别说明大气湍流对其产生的具体挑战或负面影响。

八、

对于机场跑道视程（RVR）的测量或预报而言，大气湍流会带来哪些困难？试分析湍流对近地气溶胶和气态水汽传输及光学特性可能产生的影响。

试卷答案

一、

大气湍流的基本特征包括：

1.时变性：湍流场中的速度、温度等物理量在时间上迅速、随机地变化。

2.空间异质性：湍流场中的物理量在空间上不均匀，存在随机的不连续性。

3.强度度量：通常通过湍流强度参数如均方根速度（r.m.s.风速）或折射率结构常数（Cn2）来量化，反映湍流扰动的大小。

4.湍流尺度：根据湍流涡旋的大小可分为大尺度湍流、中尺度湍流和小尺度湍流（或惯性子），不同尺度湍流对大气过程和技术影响不同。

解析思路：本题考察对大气湍流核心定义和特征的理解。要求学生能够识别并描述湍流区别于层流的两个主要特征（随机性），掌握湍流强度常用的度量方式，并了解湍流在空间上的不均匀性以及按尺度分类的基本概念。

二、

大气湍流对多普勒天气雷达的影响分为信号接收和处理两方面：

1.信号接收影响：

*衰减：湍流引起的气溶胶、云滴等粒子随机散射会增强雷达信号衰减，尤其是在长距离探测时。

*相干噪声：非球对称粒子（如冰晶）在湍流中快速旋转和取向变化，产生复杂的多普勒信号叠加，形成宽谱的相干噪声，掩盖弱信号。

2.信号处理影响：

*多普勒谱展宽/展宽不对称：湍流使大气中粒子或小尺度气流运动产生随机速度偏移，导致多普勒频移范围增大，特别是对于小粒子或小尺度气流，展宽更为显著，且可能呈现不对称性。

*速度场失真：湍流导致局部速度场复杂，使得通过多普勒雷达反演出的风场信息失真，难以准确捕捉真实的气流结构和速度梯度。

解析思路：本题要求区分湍流对雷达信号前端接收和后端处理两个环节的具体影响。接收环节主要考虑湍流引起的物理衰减和相干噪声效应。处理环节则关注湍流对多普勒频移测量（谱形）和最终风场反演带来的挑战。

三、

大气湍流对风能资源评估和风力发电机组安全运行的主要挑战：

1.风能资源评估挑战：

*有效风能降低：湍流导致风速和风向的快速随机变化，产生大量阵风，降低了年平均有效风速和风功率密度，使得实际发电量低于稳定风况下的理论值。

*功率曲线偏差：风机在实际含湍流的风场中运行时，其输出功率会偏离设计功率曲线，给风资源评估和发电量预测带来困难。

2.风力发电机组安全运行挑战：

*结构载荷增大：湍流引起的风速和风向突变导致机组承受剧烈的动态载荷，特别是叶片和塔筒承受的随机弯矩和振动，易引发疲劳损伤。

*疲劳寿命缩短：长期承受湍流引起的交变应力，会加速材料疲劳，降低机组（尤其是叶片）的使用寿命和安全可靠性。

*运行稳定性问题：强烈的湍流可能引发机组共振或失速等不稳定运行状态，威胁安全。

解析思路：本题要求分析湍流对风能利用的两个关键方面的影响。一方面是湍流如何改变风资源的统计特性（有效风能），另一方面是湍流如何对风力机本身的结构安全和运行稳定性构成威胁（载荷、寿命）。

四、

低空风切变和空中湍流的成因及危害：

1.低空风切变：

*成因：主要由地表粗糙度差异（如山丘、城市）、地表温度不均匀（热力作用）、地形影响以及大型天气系统（如锋面、低压槽）过境等引起。表现为近地面风速风向水平或垂直梯度急剧变化。

*危害：

*飞机起降阶段：风速、风向的突然变化可能导致飞机失速、高度失控或偏离跑道，尤其是在低能见