2025年大学《地球系统科学》专业题库- 地质系统反馈与模拟研究进展

2025年大学《地球系统科学》专业题库——地质系统反馈与模拟研究进展考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.下列哪项过程是地球气候系统中的典型负反馈机制？A.气温升高导致冰川融化加速，释放更多淡水和陆地反射率降低，进而增强温室效应。B.气温升高导致大气水汽含量增加，水汽作为温室气体进一步加剧温室效应。C.深海溶解的CO2释放到大气中，导致大气CO2浓度升高，进而增强温室效应。D.植被覆盖增加导致地表反照率降低，吸收更多太阳辐射，进而使地表温度升高。2.地质历史上，“雪球地球”事件的形成可能涉及多个正反馈机制的叠加，以下哪项不属于典型的雪球地球正反馈过程？A.气温降低导致海洋冰层增厚，覆盖海洋表面，减少海洋对大气中温室气体的吸收。B.海洋冰层增厚导致海洋盐度降低（淡水注入），使海水冰点升高，进一步促进冰层在近海面形成。C.冰川覆盖增加导致地表反照率显著升高，更多太阳辐射被反射，地面吸收能量减少，气温进一步降低。D.气温降低导致大气中水汽含量减少，大气透明度增加，使得更多太阳辐射到达地表，从而部分抵消降温趋势。3.在地球系统模拟中，"参数化方案"主要指的是：A.模型所使用的数学方程。B.模型的计算网格分辨率。C.将复杂物理、化学过程用简化的数学公式或算法表示的方法。D.模型输入的历史观测数据。4.地球系统模型（ESM）相较于仅包含大气和海洋耦合的气候模型（GCM），其显著特点在于：A.计算速度更快。B.模拟精度更高。C.融入了生物地球化学循环（如碳循环、氮循环）和陆地表面过程。D.主要关注大气环流的变化。5.以下哪项是当前地球系统模拟研究面临的主要挑战之一？A.模型过于简单，能够完美复现所有历史气候事件。B.计算成本不断降低，使得极高分辨率的模拟成为可能。C.难以准确模拟气候系统中的反馈过程，特别是具有阈值效应的临界点。D.模型开发者已经完全理解了所有影响气候的关键物理过程。6.在水循环反馈中，冰川融化加速可能导致：A.地表径流减少，地下水位下降。B.海洋冰盖扩大，反射率增加，全球变暖减缓。C.北极海冰减少，海水蒸发加剧，大气湿度增加。D.淡水注入海洋，导致海洋酸化加剧。7.地质圈对气候系统的反馈作用体现在哪些方面？(选择两个)A.火山喷发向大气释放二氧化硫，形成硫酸盐气溶胶，导致短期气候变冷。B.地表岩石风化过程吸收大气中的二氧化碳，参与碳循环。C.植被覆盖变化影响地表反照率和蒸散发，进而影响区域和全球气候。D.地幔对流驱动板块构造运动，通过造山、侵蚀等过程改变地表形态和生物圈分布，间接影响气候。8.以下哪项技术或方法不属于地质系统反馈与模拟研究范畴？A.利用冰芯数据反演古气候和大气成分变化。B.开发基于代理模型的土地覆被变化模拟器。C.使用高性能计算机运行全球气候模型（GCM）。D.通过遥感卫星观测地表温度和植被指数。9.所谓的“临界点”（TippingPoint）或“临界阈值”在地球系统反馈研究中意味着：A.系统开始发生缓慢的、可逆的变化。B.系统内部某个反馈机制开始起主导作用。C.系统状态发生突然、快速且通常是不可逆转的转变。D.模型模拟结果与观测数据完全吻合的标志。10.近年来，地球系统模拟研究呈现出多学科交叉融合的趋势，这主要得益于：A.气候变化问题的日益严峻。B.大数据、人工智能等新兴信息技术的快速发展，为处理复杂系统和海量数据提供了新工具。C.地球系统科学本身就是一个高度综合的学科。D.国际合作项目的增多。二、填空题1.反馈机制根据其效果可分为______反馈和______反馈，前者倾向于稳定系统状态，后者倾向于改变系统状态。2.地球气候系统的主要组成部分通常包括大气圈、水圈、______圈、冰雪圈和______圈。3.模拟研究中的“模糊性”（Uncertainty）主要来源于模型结构、______和______的不确定性。4.碳循环中，将大气中的二氧化碳转化为有机物的过程称为______，而将有机碳埋藏到沉积岩中的过程则有助于长期碳汇的形成。5.板块构造活动可以通过火山喷发和______向大气释放二氧化碳，参与地质碳循环；同时，造山作用和风化过程也能吸收二氧化碳。6.地球系统模型（ESM）通常需要耦合多个子模型，例如______模型、______模型和陆地过程模型等。三、名词解释1.地质系统2.正反馈机制3.地球系统模型(ESM)4.临界点(TippingPoint)四、简答题1.简述温室气体对地球气候系统的加热效应。2.水汽反馈是如何影响地球气候系统的？请说明其可能的作用机制。3.简述地质模型在地球系统科学研究中可以发挥的作用。4.为什么说准确量化地质系统中的反馈机制及其强度是模拟研究中的一个重要挑战？五、论述题1.选择一个你熟悉的地质系统反馈过程（例如碳循环反馈、水循环反馈、气候-冰盖反馈等），详细描述其正反两方面反馈环节，并分析该反馈过程对地球系统状态稳定性的影响。2.讨论当前地球系统模拟研究在预测未来气候变化方面所取得的进展和仍然存在的局限性。为了提高模拟的可靠性和预测能力，未来研究可以从哪些方面努力？3.结合实例，论述多学科交叉融合如何推动地质系统反馈与模拟研究取得突破。试卷答案一、选择题1.B2.D3.C4.C5.C6.C7.B,D8.B9.C10.B二、填空题1.负，正2.生物，岩石3.参数，结构4.生物泵5.挥发6.大气，海洋三、名词解释1.地质系统:指由地球的各个圈层（如岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、冰雪圈）以及地球内部（地幔、地核）组成的一个相互联系、相互作用的整体系统，各圈层之间通过能量、物质和信息的交换维持着动态平衡。2.正反馈机制:指系统中的某个变化通过某种相互作用，进一步加剧或增强最初的变化趋势，导致系统偏离原有状态，通常与系统的不稳定性或剧烈变化相关。3.地球系统模型(ESM):指能够整合地球各主要圈层（特别是大气、海洋、陆地生物圈、冰雪圈和海冰）相互作用的复杂计算机模型，用于模拟地球系统的行为、预测其未来变化以及评估人类活动的影响。4.临界点(TippingPoint):指在某个系统（尤其是地球气候系统或生态系统）中，当某个驱动因素（如温度）达到某个阈值时，系统可能会发生突然、快速且通常是不可逆转的根本性转变，进入一个新的稳定状态。四、简答题1.简述温室气体对地球气候系统的加热效应。解析思路：首先指出地球接收太阳短波辐射，部分能量被地表吸收，地表再向大气发射长波辐射（红外线）。然后说明温室气体（如CO2、CH4、水汽等）能够吸收并重新辐射大气中的长波辐射。最后强调这种效应如同温室的玻璃，允许短波辐射进入但阻止部分长波辐射散失，导致大气和地表温度升高。答案要点：地球吸收太阳短波辐射增温，向大气发射长波辐射；大气中的温室气体吸收部分长波辐射并向各方向再次辐射；部分能量向下返回地表，导致地表和低层大气温度升高。2.水汽反馈是如何影响地球气候系统的？请说明其可能的作用机制。解析思路：指出水汽本身就是一种重要的温室气体，其浓度变化会直接影响温室效应。然后从正反馈和潜在的负反馈（或双向反馈）角度阐述。正反馈：气温升高导致蒸发加剧，大气水汽增加，进一步加强温室效应，使气温进一步升高。潜在的负反馈/双向反馈：气温升高导致蒸发加剧，水汽增加，可能促进云量增多，云层具有冷却效应（反照率增加、吸收部分红外辐射），这会部分抵消气温升高的趋势。但通常强调其以正反馈为主。答案要点：水汽是强效温室气体，其浓度变化影响温室效应；气温升高导致蒸发增加，大气水汽含量增加，进一步加剧温室效应（正反馈）；水汽增加也可能导致云量增多，云具有冷却效应（负反馈），但整体上水汽反馈常被视为正反馈。3.简述地质模型在地球系统科学研究中可以发挥的作用。解析思路：明确地质模型主要关注岩石圈、地幔过程和地貌演变。列举其具体作用：模拟板块构造运动、火山活动、造山过程、侵蚀剥蚀作用；用于资源勘探（如油气、矿产）；帮助理解地质历史事件（如超大陆聚合与裂解、大规模火山喷发）；为长期气候变化研究提供地质背景和驱动机制（如火山气候强迫、构造对洋流的影响）。答案要点：模拟板块运动、火山活动、造山、侵蚀等地质过程；用于油气等资源勘探；帮助理解地质历史和驱动气候变化的地质因素；与大气、海洋模型耦合，研究地球系统长期演变。4.为什么说准确量化地质系统中的反馈机制及其强度是模拟研究中的一个重要挑战？解析思路：指出地质系统反馈涉及多个圈层、长时间尺度和复杂的非线性过程。强调量化困难的原因：许多反馈过程（如生物地球化学循环、气候-冰芯反馈）涉及复杂的物理、化学、生物相互作用，难以用简单的数学公式精确描述（参数化困难）；反馈强度随时间、空间和系统状态变化，具有不确定性；观测数据稀疏，特别是对于地质历史时期的反馈过程，难以验证模拟结果；模型分辨率有限，可能无法捕捉到关键的反馈区域或过程。五、论述题1.选择一个你熟悉的地质系统反馈过程（例如碳循环反馈、水循环反馈、气候-冰盖反馈等），详细描述其正反两方面反馈环节，并分析该反馈过程对地球系统状态稳定性的影响。解析思路：选择一个反馈过程（如气候-冰盖反馈）。首先清晰定义该反馈过程：气温变化如何影响冰盖（融化/增长），冰盖变化又如何进一步影响气温。详细描述正反馈环节（如变暖导致融化加速，反照率降低，更多辐射吸收，进一步变暖）和负反馈环节（如变暖导致融化加速，反照率降低，更多辐射吸收，进一步变暖；或变冷导致增长，反照率升高，反射更多辐射，进一步变冷）。最后分析其对稳定性的影响：正反馈倾向于使系统远离平衡状态，导致剧烈变化或状态转换（如雪球地球）；负反馈倾向于将系统拉回平衡状态，维持系统稳定。结合实例（如现代气候变暖中的冰盖融化反馈）或地质历史（如过去的冰期旋回中的正负反馈作用）进行阐述。答案要点：清晰定义反馈过程（如气温->冰盖面积/反照率->气温）；详细描述正反馈机制（变暖->融化/反照率降低->吸收更多辐射->更强变暖）；详细描述负反馈机制（变暖->融化/反照率降低->吸收更多辐射->更强变暖或变冷->增长/反照率升高->反射更多辐射->更强变冷）；分析正反馈倾向于系统不稳定/剧烈变化，负反馈倾向于系统稳定。2.讨论当前地球系统模拟研究在预测未来气候变化方面所取得的进展和仍然存在的局限性。为了提高模拟的可靠性和预测能力，未来研究可以从哪些方面努力？解析思路：首先肯定进展：分辨率不断提高；模型复杂度增加，包含更多过程（如云物理、陆面过程、生物地球化学循环）；数据同化技术改进，能更好地融合观测数据；对关键过程（如极地放大、云反馈）的理解加深；能够更好地模拟某些历史气候事件。然后指出局限性：对某些关键反馈（如云、碳循环、冰冻圈反馈）的量化仍不精确；模型间存在系统性差异（Ensemble散度大）；极端天气事件和气候突变事件的预测能力有限；计算成本高昂，难以进行极高分辨率或长时间模拟；对未来社会行为（如排放情景）的不确定性。最后提出未来努力方向：改进参数化方案，特别是云和碳循环过程；发展更高效的计算方法和硬件；加强多模型集合预测；利用大数据和人工智能辅助模型开发和数据同化；开展更多观测，特别是针对模型薄弱环节的观测；研究极端事件和气候临界点。答案要点：进展：分辨率、复杂度、数据同化、关键过程理解提升；局限性：反馈量化不准、模型散度、极端事件预测能力、计算成本、排放不确定性；未来努力：改进参数化、高效计算、多模型集合、大数据/AI、加强观测、研究极端事件/临界点。3.结合实例，论述多学科交叉融合如何推动地质系统反馈与模拟研究取得突破。解析思路：强调地球系统本身的复杂性决定了单一学科难以全面解决其问题，因此交叉融合是必然趋势和动力。列举具体学科及其贡献和结合点：大气科学提供气候模型和辐射传输理论；海洋学提供海洋环流和生物地球化学模型；地质学提供岩石圈过程模型、构造背景知识、火山/侵蚀参数；生物学提供生态过程模型、碳/氮循环生物泵机制；化学提供化学反应动力学、物质循环理论；物理学提供热力学、流体力学、传质理论；数学提供模型构建、数值方法、统计分析工具；信息科学/计算机科学提供高性能计算、大数据分析、