一、名词解释题(共10题，每题3分，共30分)
（1）局地直角坐标系
参考答案：局地直角坐标系保留了球坐标系的标架方向，但忽略与地球曲率有关的力。坐标原点在指定地点的海平面上，X轴指向东，Y轴指向北，Z轴指向上。局地直角坐标系是球坐标系的局部平面化。
（2）理查森数
参考答案：理查森数通过比较浮力与剪切力的相对强弱，来预测分层流体流动是保持平稳还是可能发展为湍流。理查森数大于1：强稳定层结。浮力效应占主导，流体抵抗垂直混合，流动趋向层流，湍流被抑制。理查森数等于1/4：一个关键的临界值。当理查森数小于此值时，剪切不稳定性足以克服稳定层结，可能引发开尔文-亥姆霍兹不稳定（形成波浪状涡旋），从而产生湍流混合。理查森数小于1/4：动力不稳定占优。剪切效应强，容易发展湍流。理查森数小于零：不稳定层结。浮力本身就会加速垂直运动，促进对流和混合。
（3）梯度平衡：
参考答案：自由大气中三力平衡，即气压梯度力、科里奥利力和惯性离心力，满足该平衡关系时的风速，称为梯度风。 梯度平衡是旋转流体中曲线运动的准平衡态，是理解台风等涡旋系统风力结构、以及为什么高压和低压中风速存在差异的理论基石。
（4）位势涡度
参考答案：位势涡度可以理解为一个综合描述大气热力状态和运动状态的物理量，位涡度守恒定律揭示了大气热力结构对涡度变化的约束效应。绝热无摩擦条件下位势涡度守恒。
（5）惯性重力内波
参考答案：惯性重力内波是指大气内部的不连续界面上，在重力和科式力共同作用下产生的波动。在浮力频率大于惯性频率时，表现出重力内波性质，在浮力频率小于惯性频率时，表现出惯性内波性质。
（6）包辛内斯克近似
参考答案：包辛内斯克近似是针对大气密度所做的近似，在水平运动方程中的气压梯度力项，其密度扰动可以忽略，用其平均值代替；在垂直运动方程中，与浮力相关的密度扰动要加以考虑，不能忽略；在连续性方程中，大气密度扰动的个别变化项可以忽略；但热力学能量方程中，由密度扰动引起的能量变化与由于温度扰动变化引起的能量变化或者由于气压扰动变化引起的能量变化具有相同量级，不能忽略。
（7）准地转近似
参考答案：准地转近似是为了合理地描写中纬天气尺度的准地转运动而引入的一种动力学近似，其含义为除散度项外，方程中的水平速度和涡度都取为地转风和地转涡度。取准地转近似后得到的准地转方程组既突出了中纬度大尺度运动的准地转性质，又保留了非地转水平辐合辐散，而且很好地保持了运动的若干整体性质，因此能够更为合理地描写中纬度大型天气演变过程。
（8）湿静力能
参考答案：湿静能是湿空气的内能，压力能，位能加潜热能。
（9）斜压力管
参考答案：斜压力管是等压面和等容面的相交构成的管子，可以产生新环流或使原有环流加强或减弱的动力作用。
（10）有效位能
参考答案：系统的全位能与按绝热过程调整后系统所具有的最小的全位能之差,而且规定系统最小的全位能是绝热调整后产生的正压状态和稳定大气层结下的全位能。简单的说，有效位能就是大气中总位能向动能转换的最大可能值。
二、简答题(共6题，每题 5 分，共30分)
（1）为什么说地转风，梯度风和热成风的概念是中纬度天气分析的基础？为什么高压中心等压线不能太密集？有经验的预报员在无气象资料时，将地面风向与高空云层的移动方向进行比较就能决定气层中是暖平流还是冷平流，你能对此做出解释吗？
参考答案：地转风建立了单层气压场与风场的关系；梯度风修正了弯曲流场下的平衡；热成风则通过风场垂直变化揭示了温度场的分布和平流性质，将地面系统与高空系统联系起来。预报员正是运用这套理论，从二维的天气图推演出大气的三维结构和演变趋势。由于高压系统的动力学特性，其中心附近的风速存在一个理论最大值，这限制了其气压梯度不能无限增大。有经验的预报员，利用地面与高空的风向量差（即热成风）来定性地判断温度平流性质，这是一种将深刻的理论原理化为直观观测技巧的典范。
（2）试用梯度风理论解释北半球反气旋中心附近风速一般都很小的事实。
参考答案：反气旋性环流，正根：异常高压：气压梯度力越大，风速反而越小；气压梯度力接近于零，风速接近fR。
（3）简要说明大气的基本能量形式以及大气动能的来源。
参考答案：大气基本能量有内能、重力位能和动能等。大气动能是由内能和重力位能通过力的做功直接转换来的；太阳辐射虽然是大气运动的终极能源，但是它不能直接转换成动能，而是通过间接（先加热下垫面）和直接加热大气，生成内能。
（4）简述产生大气声波、惯性重力外波和惯性重力内波的物理机制。
参考答案：大气的可压缩性是产生声波的内在条件，辐合辐散交替变化是声波传播的机制；惯性重力波是在重力和旋转共同作用下产生的，水平辐合辐散交替变化是惯性重力波传播的机制；惯性重力外波需要自由表面，惯性重力内波需要层结。
（5）什么是地转适应过程？什么是准地转演变过程？简述这两种过程的基本特征。
参考答案：地转平衡态遭到破坏后，通过风场和气压场之间的相互调整和相互适应，重新建立起新的地转平衡态的过程，称作地转适应过程。准地转平衡态的缓慢变化（演变）过程，称作准地转演变过程。地转适应过程是一种快过程，位势运动显著，运动基本上是线性的；准地转演变过程是一种慢过程，运动具有准涡旋性质，运动是非线性的。
（6）在准地转水平环流上必叠加有二级环流，试说明这种二级环流产生的原因是什么？有何重要作用？它与埃克曼抽吸作用造成的二级环流在性质上有何差别？
参考答案：斜压大气中不仅存在涡度平流，而且存在温度平流，这些平流过程总是对准地转和静力平衡起破坏作用。平衡被破坏后必然激发出水平辐合辐散和铅直运动，从而形成铅直面上的二级环流。这种叠加在准地转的水平环流之上的二级环流通过水平辐合辐散对涡度场进行调整，通过铅直运动对温度场进行调整，由此建立起新的准地转和静力平衡。埃克曼抽吸作用造成的二级环流是湍流摩擦力引起的非地转辐合上升运动。
。斜压大气中不仅存在涡度平流，而且存在温度平流，这些平流过程总是对准地转和静力平衡起破坏作用。平衡被破坏后必然激发出水平辐合辐散和铅直运动，从而形成铅直面上的二级环流。这种叠加在准地转的水平环流之上的二级环流通过水平辐合辐散对涡度场进行调整，通过铅直运动对温度场进行调整，由此建立起新的准地转和静力平衡。
三、证明题(共2题，每题10分，共20分)
参考答案：可以直接把解代入方程组。或是求解：
四、综述题(共5题，每题4分，共20分)，在P坐标系下大气水平运动方程为：
（1）从上述两个运动方程出发，推导出关于相对涡度垂直分量方程。
（2）假设大气为正压，试证明若在大气水平散度为零的情况下，大气绝对涡度守恒，并由此解释大气长波产生的物理机制。
参考答案：
（1） 相对涡度垂直分量的加速度+罗斯贝参数乘以经向速度+水平散度乘以绝对涡度的垂直分量等于零。
（2）当水平散度为零时，有绝对涡度垂直分量的加速度等于零，即绝对涡度守恒。
（3）绝对涡度守恒方程线性化后利用正交模方法解得：
罗斯贝波的园频率=水平波数k乘以平均西风速度-罗斯贝参数乘以k除以水平波数之平方和。即omega=k*u平均-beta*k/(k*k+l*l)
（4）相对涡度=初始相对涡度*EXP(-Dt)。（5）e折特征时间为t=1/D。
