2025年大学《数理基础科学》专业题库- 大气环境与生态环境

2025年大学《数理基础科学》专业题库——大气环境与生态环境考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述大气垂直分层结构及其主要特征。说明平流层存在臭氧层的原因及其对地球生命的重要性。二、解释什么是大气污染物的迁移转化过程。以二氧化硫（SO2）为例，描述其在大气中主要的物理和化学转化途径，并简述这些过程对空气质量的影响。三、高斯扩散模型是用于估算点源污染物地面浓度的一种常用模型。简述该模型的基本假设。若已知某高架点源排放速率Q（kg/s），距离源点水平距离x（m），大气稳定度参数P，大气扩散参数σy（m）和σz（m），请写出地面轴线处污染物浓度C(x,y=0,z=0)的公式，并说明各符号的物理意义。四、什么是空气质量指数（AQI）？它是如何构建的？简述AQI在空气质量评价中的作用。五、全球气候变暖的主要原因是人类活动排放了大量的温室气体。简述温室效应的物理原理。列举三种主要的温室气体，并说明它们在大气中的主要来源。六、生态系统中的能量流动通常遵循能量传递定律，即能量在相邻营养级之间的传递效率通常在10%左右。简述生态系统能量流动的特点。为什么说生态系统能量流动是单向、逐级递减的？七、简述生物多样性的概念及其三个主要层次。说明生物多样性丧失的主要原因及其对生态系统功能可能产生的影响。八、什么是生态模型？它在生态学研究和生态管理中有什么作用？举例说明一种常用的生态模型类型（如种群增长模型、食物网模型等），并简述其基本原理。九、环境监测是生态环境科学的基础。简述环境监测的主要目的。列举至少三种常用的环境监测技术（方法），并说明其基本原理或应用场景。十、可持续发展是一个涉及经济、社会和环境的综合概念。简述可持续发展的核心思想。在生态环境领域，实现可持续发展需要遵循哪些基本原则？十一、假设某研究区域存在一个单一污染物源，其排放总量为E（mol/s）。该污染物在环境介质（如水体或土壤）中遵循一级降解动力学，降解速率常数为k（1/s）。若该区域的环境容量（能容纳污染物的最大量而不造成危害）为Cmax（mol）。请推导出该污染物在环境介质中的浓度C随时间t变化的数学表达式（假设初始浓度为0）。此模型有何局限性？十二、结合你所学的知识，论述城市热岛效应的形成原因及其对城市大气环境和居民生活可能产生的影响。提出至少两种缓解城市热岛效应的潜在措施，并简要说明其原理。试卷答案一、大气垂直分层主要依据温度随高度变化的规律分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层。对流层温度随高度升高而降低，大气垂直运动强烈，是天气现象发生的主要场所。平流层温度随高度升高而升高，主要因为臭氧吸收紫外线。平流层中的臭氧层能吸收大部分太阳紫外线辐射，保护地球生命免受其伤害。二、大气污染物的迁移转化是指污染物在大气中通过物理过程（如扩散、沉降、混合）和化学过程（如光解、氧化还原反应）发生空间位置变化和化学性质改变的总称。以SO2为例，它在大气中主要发生化学转化：被大气中的氧气氧化生成硫酸盐气溶胶（如SO3，再与水反应生成H2SO4，形成酸雨）；或在阳光作用下被氮氧化物氧化；或被云、雾、气溶胶表面吸附。这些转化过程改变了SO2的形态和分布，影响着酸雨的形成、大气能见度以及人体健康。三、高斯扩散模型的基本假设包括：污染物源是连续点源；大气稳定度不变；污染物在水平方向上均匀扩散；大气为无限空间；风速恒定且垂直方向无分量；忽略地形影响；污染物分子扩散服从高斯分布。地面轴线处污染物浓度C(x,y=0,z=0)的公式为C(x)=(2Q/(πυₓ²u))*exp(-y²/2σy²)，其中Q为源强（kg/s），x为水平距离（m），υₓ为x方向扩散参数（m），u为风速（m/s），σy为y方向扩散参数（m）。公式中Q代表排放量，x代表水平距离，υₓ代表x方向扩散能力，u代表空气水平流动速度，σy代表污染物在垂直于下风向方向上的扩散范围。四、空气质量指数（AQI）是将多种空气污染物浓度简化为单一数值形式，用于报告空气质量状况和健康风险。它是通过对各项污染物（如PM2.5,PM10,SO2,NO2,O3,CO）的浓度进行分步计算，得到相应的指数值，然后选取最大值作为该地区的AQI值。AQI能够直观反映空气质量水平，方便公众了解和比较不同地区或不同时间的空气质量状况，并为采取健康防护措施提供依据。五、温室效应是指大气中的温室气体（如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等）吸收并重新辐射地球表面发出的红外辐射，使地球表面和低层大气的温度升高的现象。其物理原理是温室气体对太阳短波辐射透明，但对地球放出的长波辐射（红外线）具有强烈的吸收和再次辐射能力，部分能量向下辐射回地表，导致地表能量收支失衡，温度升高。主要的温室气体包括二氧化碳（主要来自化石燃料燃烧、森林砍伐）、甲烷（主要来自农业活动、天然气泄漏）和氧化亚氮（主要来自农业和工业活动）。它们在大气中通过自然和人为过程产生并累积。六、生态系统能量流动的特点是单向流动和逐级递减。能量流动是从生产者（植物）开始，通过食物链（初级消费者、次级消费者等）逐级传递。每个营养级通过呼吸作用消耗大部分能量，只有少量能量（约10%左右）传递到下一营养级。能量流动是单向的，因为消费者无法直接利用生产者固定的太阳能，能量在传递过程中不断以热能形式散失。因此，能量流动是单向、逐级递减的，决定了生态系统的营养级结构和每个营养级的生物量。七、生物多样性是指地球上所有生物（动物、植物、微生物）及其遗传变异和生态系统的复杂性总称。其三个主要层次是遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。生物多样性丧失的主要原因是人类活动，如生境破坏与破碎化（森林砍伐、城市扩张）、气候变化、环境污染、外来物种入侵、过度开发利用等。生物多样性丧失会降低生态系统的稳定性和抵抗干扰能力，破坏生态平衡，威胁生态系统服务功能的提供。八、生态模型是使用数学语言、符号、图表等来描述生态系统中各种因素之间的相互关系和动态变化规律的工具。它在生态学研究和生态管理中的作用包括：帮助理解复杂的生态过程和机制；预测生态系统对环境变化的响应；评估人类活动的影响；为生态保护和管理提供科学依据；设计生态恢复方案。常用的生态模型类型包括种群动态模型（如Logistic模型）、食物网模型、生态系统过程模型（如能量流动模型、物质循环模型）等。以Logistic种群增长模型为例，其基本原理是种群增长率在资源有限时随种群密度增加而下降，模型常表示为dN/dt=rN(1-N/K)，其中N为种群数量，r为内禀增长率，K为环境容纳量。九、环境监测的主要目的是获取环境质量信息，了解环境状况及其变化趋势，评估环境风险，为环境管理、环境规划和环境保护提供科学依据，并保障人体健康和生态安全。常用的环境监测技术（方法）包括：化学分析法（如分光光度法测定水质污染物）、仪器分析法（如质谱仪、色谱仪分析空气污染物）、遥感技术（如卫星遥感监测土地利用、植被覆盖）、生物监测法（利用生物体对环境变化的敏感性进行监测）、声学监测法等。例如，分光光度法通过测量溶液对特定波长光的吸收强度来确定水中特定污染物（如COD、氨氮）的浓度。十、可持续发展的核心思想是既满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力。它强调经济、社会和环境三个方面的协调发展，追求人与自然的和谐共生。在生态环境领域，实现可持续发展需要遵循的基本原则包括：保护优先、预防为主、综合治理；资源节约与循环利用；环境承载能力约束；生态系统的整体性和区域性；公平性（代内公平和代际公平）。十一、污染物在环境介质中浓度随时间变化的数学表达式推导如下：设排放速率为E（mol/s），降解速率为k（1/s），环境容量为Cmax（mol），当前时刻t的浓度为C(t)。根据质量守恒，进入系统的总量等于系统内增加的量加上系统内原有的量减去降解掉的量。在dt时间内，进入系统的量为E*dt，系统内增加的量为dC，原有的量为C，降解掉的量为kC*dt。对于初始浓度为0的系统，有E*dt=dC-kC*dt。整理得dC/(Cmax-C)=(E/k)*dt。积分两边，∫[0toC(t)]dC/(Cmax-C)=∫[0tot](E/k)dt。得到-ln[(Cmax-C(t))/Cmax]=(E/k)t。整理得到C(t)=Cmax*[1-exp(-(E/k)t)]。此模型的局限性在于假设降解速率恒定（一级动力学），而实际情况中降解速率可能受多种因素影响（如浓度、温度），呈现更复杂的动力学过程；同时未考虑环境容量已满的情况，即当C接近Cmax时，模型预测的浓度增长会趋缓，但未完全停止。十二、城市热岛效应是指城市区域的温度显著高于周边郊区的现象。主要形成原因包括：城市下垫面性质改变（如水泥、沥青表面吸热和储存热量能力强于自然地表）、城市建筑密集导致通风不良、人类活动产生大量废热（如交通、工业、空调、照明等）、城市绿地和水体减少（蒸发冷却作用减弱）等。城市热岛效应可能导致：增加空调能耗，加剧空气