南京信息工程大学 2015 年大气物理考博真题（样本展示）

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南京信息工程大学 2015 年大气物理考博真题（精选样本）

一、简述题（每题 8/6 分，精选 2 题）

1. 0-100KM 大气温度分布情况，并注图说明？（8 分）
2. 热成风成因及影响其大小、方向的因素？（6 分）

二、论述及计算题（每题 10 分，精选 1 题）

1. 未饱和气块密度、温度分别为 ρ₁、T₁，环境大气密度、温度分别为 ρ、T，推导气块向上加速度？

答案详解（附考点定位、核心要点）

一、简述题答案

1. 0-100KM 大气温度分布情况，并注图说明？

• 考点定位：本题聚焦大气垂直分层的核心特征，是 “大气垂直结构” 章节的基础考点，考查对不同高度层大气温度变化规律的系统掌握。
• 答案详解：

  0-100km 大气按温度垂直分布可分为对流层、平流层、中间层，各层温度变化特征及图示说明如下：
• 对流层（0-12km 左右）：
  • 温度分布：随高度增加而显著降低，平均递减率约 6.5℃/km。
  • 关键特征：底部为地面，受地面辐射加热影响，温度最高；顶部为对流层顶（热带约 17km，极地约 8km），温度最低可达 - 55℃（中纬度）。
• 平流层（12-50km 左右）：
  • 温度分布：底层（12-20km）温度随高度变化平缓（等温层），20km 以上随高度增加迅速升高，50km 处温度可达 0℃左右。
  • 关键特征：20-30km 处存在臭氧层，臭氧吸收太阳紫外辐射是温度升高的主要原因。
• 中间层（50-85km 左右）：
  • 温度分布：随高度增加快速降低，85km 处（中间层顶）温度降至 - 80℃左右，是 0-100km 大气中温度最低的区域。
  • 关键特征：空气稀薄，垂直对流强烈，强烈的温度递减导致大气不稳定。
• 热层底部（85-100km）：
  • 温度分布：随高度增加开始快速升高，100km 处温度可达 100℃以上。
  • 关键特征：空气极稀薄，受太阳短波辐射影响显著，温度随太阳活动变化较大。
• 图示说明：

  横坐标为温度（℃），纵坐标为高度（km）；
  • 对流层段：从地面（20℃左右，随纬度 / 季节变化）斜向下至对流层顶（-55℃）；
  • 平流层段：12-20km 段水平延伸（等温），20km 以上斜向上至 50km（0℃）；
  • 中间层段：从 50km（0℃）斜向下至 85km（-80℃）；
  • 热层底部段：从 85km（-80℃）斜向上至 100km（100℃以上）。

2. 热成风成因及影响其大小、方向的因素？

• 考点定位：本题聚焦大气动力学核心概念，是 “大气环流基础” 章节的核心考点，考查对热成风形成机制及影响因素的精准阐释。
• 答案详解：
• 成因：热成风是由大气水平温度梯度引起的风随高度的变化（即上下层地转风的矢量差）。
  • 根本原因：太阳辐射在地表分布不均，导致同一等压面上出现水平温度梯度；
  • 直接机制：水平温度梯度会引发等压面倾斜（高温区等压面抬高，低温区等压面降低），进而导致地转风风速随高度发生变化，这种变化量即为热成风。
• 影响大小的因素：
  1. 水平温度梯度：温度梯度越大，热成风风速越大（热成风大小与水平温度梯度成正比）；
  2. 纬度：纬度越低，科里奥利参数 f 越小，热成风风速越大（热成风与 f 成反比）；
  3. 气压层厚度：上下层等压面之间的厚度越大，热成风风速越大（厚度与温度正相关，间接影响热成风）。
• 影响方向的因素：
  1. 水平温度梯度方向：热成风方向与等压面上的等温线平行，遵循 “热成风定律”—— 北半球背热成风而立，高温区在右侧，低温区在左侧；南半球则相反；
  2. 地转偏向力方向：科里奥利参数的方向（北半球向右，南半球向左）决定了热成风与等温线的相对方位。

二、论述及计算题答案

1. 未饱和气块密度、温度分别为 ρ₁、T₁，环境大气密度、温度分别为 ρ、T，推导气块向上加速度？

• 考点定位：本题聚焦大气热力学动力学综合应用，是 “大气静力平衡与气块运动” 章节的核心难点考点，考查对浮力公式、牛顿第二定律的结合应用能力。
• 答案详解：

  推导核心基于 “浮力原理” 与 “牛顿第二定律”，步骤如下：
• 步骤 1：分析气块受力

  气块在大气中受到两个垂直力：
  1. 重力 G：方向向下，大小为 G = m₁g = ρ₁Vg（m₁为气块质量，V 为气块体积，g 为重力加速度）；
  2. 浮力 F：方向向上，大小等于气块排开环境大气的重力，即 F = mg = ρVg（m 为排开环境大气的质量）。
• 步骤 2：确定气块所受合外力

  垂直方向合外力 F 合 = F - G（向上为正方向），代入重力与浮力表达式：

  F 合 = ρVg - ρ₁Vg = Vg (ρ - ρ₁)
• 步骤 3：结合理想气体状态方程简化

  未饱和气块与环境大气均满足理想气体状态方程：p = ρRT，p₁ = ρ₁RT₁（假设气块上升过程中气压与环境气压瞬时平衡，即 p = p₁）。

  由此可得 ρ = p/(RT)，ρ₁ = p/(RT₁)，代入合外力公式：

  F 合 = Vg ( p/(RT) - p/(RT₁) ) = Vgp/R (1/T - 1/T₁)
• 步骤 4：根据牛顿第二定律推导加速度

  牛顿第二定律 F 合 = m₁a = ρ₁Va，将 F 合与 ρ₁表达式代入：

  ρ₁Va = Vgp/R (1/T - 1/T₁)

  约去 V，代入 ρ₁ = p/(RT₁)，化简得：

  a = [gp/R (1/T - 1/T₁)] / (p/(RT₁)) = gT₁/R ( (T₁ - T)/TT₁ ) = g (T₁ - T)/T
• 最终结论：

  气块向上加速度 a = g (T₁ - T)/T（当 T₁ > T 时，a > 0，气块向上加速；当 T₁ < T 时，a < 0，气块向下加速）。