2025年大学《大气科学》专业题库- 风暴强度变化与气象瞬变分析

2025年大学《大气科学》专业题库——风暴强度变化与气象瞬变分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种天气系统通常与强对流天气（如冰雹、龙卷风）联系最为密切？A.热带气旋B.温带气旋C.季风槽D.单个强雷暴系统2.热带气旋增强的关键因素之一是低层高湿度，这主要是为了满足其能量转换过程中的什么需求？A.提供正压不稳定能量B.补充环境暖平流C.满足凝结潜热释放的需求D.增加热带洋面的风切变3.在天气图分析中，判断一个低压系统是否为温带气旋发展的关键指标是？A.中心气压最低值的大小B.500hPa高度场上是否有明显的短波槽配合C.地面风场是否呈明显的气旋性辐合D.700hPa风场上是否有明显的切变线4.多普勒天气雷达能够探测到风暴内部的风向和风速信息，这主要依赖于什么物理原理？A.光的折射B.电磁波的反射和散射C.声波的传播速度D.大气温度的垂直分布5.对流有效位能（CAPE）代表的是大气中可用于驱动上升气块做的功的潜力，它的大小主要与以下哪个因素正相关？A.对流层顶的高度B.大气低层的湿度C.大气中层的温度垂直递减率D.大气低层的风速6.在分析卫星云图时，识别热带气旋中心位置通常依据的是？A.最大的云顶亮温区B.云眼的存在及其特征C.最强的降水回波中心D.气旋中心的海平面气压值7.数值天气预报（NWP）模式输出的涡度场在分析中主要用来判断？A.降水落区B.大气稳定度C.气流的旋转方向和强度D.风向的水平变化8.以下哪种环境条件最不利于热带气旋的生成和维持？A.高海表温度（SST）B.高纬度地区C.小的垂直风切变D.大气中高含水汽量9.在分析雷暴风暴结构时，雷达回波中“钩状回波”的出现通常指示？A.强烈的降水区域B.风暴前部的下沉气流和可能的冰雹C.风暴后部的上升气流D.风暴的成熟阶段10.全球变暖背景下，关于热带气旋潜在变化的研究认为其强度可能增加，主要原因是？A.风切变普遍减弱B.大气可降水量显著减少C.热带洋面温度升高提供了更多能量D.地球自转速度加快二、简答题（每题5分，共30分）1.简述影响热带气旋强度变化的主要环境因素及其作用机制。2.简述CAPE和CIN的概念及其在判断对流潜力的作用。3.简述温带气旋发展过程中，环境流场（如正涡度平流、正散度平流）对其加强的促进作用。4.简述多普勒天气雷达获取风暴径向速度信息的基本原理及其分析意义。5.简述利用红外卫星云图判断锋面系统类型（冷锋、暖锋、静止锋）的主要依据。6.简述风暴强度变化与气候变化之间可能存在的联系（请列举至少两点）。三、分析题（共50分）1.（15分）假设你分析了一份天气图，发现有一低压系统正在发展。请你描述判断该低压系统是温带气旋还是热带气旋（或副热带气旋）的主要依据，并简述其各自发展加强的主要机制有何不同。2.（15分）假设你收到了一次强雷暴的天气雷达回波资料分析。请描述你将如何从雷达回波特征（如回波强度、形态、速度场等）中分析判断该雷暴是否具有产生大冰雹或龙卷风的潜力？请列举至少三个关键的雷达指标及其含义。3.（20分）设有一个热带气旋位于海面上，环境条件有利其加强。请你结合所学知识，分析其内部能量转换的主要过程（例如，暖湿空气从哪里来？如何转化为风暴的动能和势能？），并说明海温在其中扮演了怎样的关键角色。试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.B5.C6.B7.C8.B9.B10.C二、简答题1.影响热带气旋强度变化的主要环境因素及其作用机制：*海表温度（SST）：高SST提供大量水汽和潜热，是风暴能量的主要来源。SST越高，能量输入越强，有利于风暴增强。*环境垂直风切变：垂直风切变是指风向和风速随高度的差异。小的垂直风切变有利于垂直柱状暖湿空气组织发展和维持，有利于风暴增强；大的垂直风切变会破坏风暴垂直结构，阻碍其增强甚至导致减弱。*大气湿度：低层大气湿度大，意味着有更多的水汽可用于凝结放热，从而提供额外的能量，有利于风暴增强。*环境稳定度：大气稳定度影响对流发展的效率。不稳定大气有利于对流释放潜热，促进风暴发展。2.CAPE（对流有效位能）和CIN（惯性稳定能量）的概念及其在判断对流潜力的作用：*CAPE（对流有效位能）：指在绝热、有摩擦的条件下，一团具有比周围环境更暖、更湿的空气（抬升凝结高度LCL），从地面抬升到对流顶（CT）时所能释放的最大潜在能量。它代表大气中可用于驱动上升气块做的功的潜力。*CIN（惯性稳定能量）：指在抬升过程中，如果气块经过一个潜在不稳定层（其环境比气块本身更不稳定，即温度递减率大于干绝热递减率）时，需要克服的“稳定”层所代表的能量“壁垒”。它代表阻止或抑制对流发展的能量。*作用：CAPE越大，表示驱动对流发展的能量潜力越大，对流越强。CIN越大，表示抑制对流发展的阻力越大。通常，CAPE显著大于CIN的环境有利于强对流的发生。3.温带气旋发展过程中，环境流场对其加强的促进作用：*正涡度平流（PositiveVorticityAdvection,PVA）：指气旋性涡度（正涡度）的空气向气旋中心流入。这会增强气旋中心附近的涡度，使气旋旋转更强烈，动力上有利于气旋发展和加深。*正散度平流（PositiveDivergenceAdvection,PDA）：指辐散气流的空气向气旋中心流入。这会增加气旋中心附近低层的辐散，有利于暖湿空气的汇聚和抬升，促进云层发展和加强，并提供能量。4.多普勒天气雷达获取风暴径向速度信息的基本原理及其分析意义：*基本原理：多普勒雷达向风暴发射电磁波，电磁波被风暴中的降水粒子（如雨滴、冰晶）散射后返回雷达。由于风暴中不同位置的粒子相对于雷达的径向速度不同（靠近或远离雷达），导致返回信号的频率发生多普勒频移。通过测量这种频移量，就可以计算出每个雷达单元内降水粒子的平均径向速度（即靠近或远离雷达的速度）。*分析意义：径向速度场是分析风暴内部动力结构和旋转特征的关键。通过分析速度场，可以判断风暴中是否存在强旋转（识别龙卷风涡旋、气旋性风场）、识别风暴的不同象限（如inflow区、outflow区）、分析上升和下沉气流的位置与强度、判断风暴的强度和结构演变。5.利用红外卫星云图判断锋面系统类型（冷锋、暖锋、静止锋）的主要依据：*云顶亮温（云顶高度）：冷锋和暖锋通常伴随着云系的急剧倾斜和位移。冷锋过境时，云顶亮温（colder/morereflectiveclouds）呈楔状倾斜伸向冷气团一侧。暖锋过境时，云顶亮温呈圆弧状或舌状伸向暖气团一侧。静止锋通常表现为云带呈近似直线状或波浪状，平行于锋面，云顶亮温变化相对平缓。*云型与结构：冷锋云系通常为高层卷云、高层云、中云和低云混合，结构紧凑，移动迅速。暖锋云系通常为高层云、高云和低云，呈斜铺的羽流状，结构较松散，移动缓慢。静止锋云系常为层状云，如高层云、雨层云，有时伴有地形影响形成的地形云，结构稳定，移动缓慢或停滞。*结合红外和可见光云图：红外云图主要反映云顶温度，温差大处（冷区）有助于识别锋面。可见光云图则反映云底特征和云层结构，有助于进一步确认锋面类型。6.风暴强度变化与气候变化之间可能存在的联系：*全球变暖导致海温升高：海温是热带气旋能量的主要来源。全球变暖背景下，热带洋面温度升高，为热带气旋提供了更强的能量，可能导致其最大风速、降水率等增强。*全球变暖可能改变风切变分布：气候变化可能影响大气环流，进而改变热带地区的垂直风切变分布。垂直风切变是限制热带气旋增强的关键因素之一。某些区域风切变可能减小，有利于气旋增强；而在另一些区域，风切变可能增大，不利于气旋增强或维持。*全球变暖增加大气水汽含量：温度升高导致大气能容纳更多水汽。更强的水汽通量不仅为对流提供了更多能量（潜热释放），也可能导致极端降水事件（与强对流或气旋相关）的强度增加。三、分析题1.判断低压系统是温带气旋还是热带气旋（或副热带气旋）的主要依据，并简述其各自发展加强的主要机制的不同：*主要判断依据：*中心气压性质：热带气旋中心为低压，气压梯度力是主要驱动力，中心气压低且下降迅速。温带气旋中心气压相对较高（比热带气旋低，但比周围高），其发展加强与冷暖空气的相互作用密切相关。*主导能量来源：热带气旋主要能量来源于暖湿空气的辐合抬升和海表温度提供的热量。温带气旋主要能量来源于冷暖空气的位能释放。*环境风场：热带气旋形成于自由大气，周围环境风切变小。温带气旋形成于行星波槽中，环境风切变是其发展和加强的重要条件（正涡度平流和正散度平流）。*垂直结构：热带气旋通常是柱状对称结构，垂直发展强。温带气旋结构不对称，水平范围大，垂直发展受环境条件约束。*移动路径：热带气旋通常沿热带引导气流（如副热带高压边缘）移动，路径相对稳定。温带气旋受大型天气系统引导，路径变化多样。*发展加强机制的不同：*热带气旋：主要通过环境暖湿空气的强烈辐合和向中心流入，使暖湿空气在低层辐合上升，高层散出，释放大量潜热。同时，海温提供持续的能量补充。小风切变有利于垂直结构的维持和发展。核心机制是正压不稳定和潜热释放的耦合。*温带气旋：主要通过冷暖空气的强烈相互作用。冷气团主动向暖气团推进，形成锋面。暖湿空气在锋面附近被抬升，释放潜热，导致锋面气旋性加强（正涡度平流和正散度平流）。其强度也与环境水汽含量、垂直风切变（提供旋转和动力发展条件）以及行星波背景有关。2.从雷达回波特征分析强雷暴产生大冰雹或龙卷风的潜力：*回波强度（强度指标）：*大冰雹潜力：出现超过55-60dBZ的强回波区，特别是回波顶高（EchoTop）非常高（如超过12-18km）。高强度的回波通常意味着存在强大的上升气流和充足的水汽，是产生大冰雹的必要条件之一。*龙卷风潜力：出现超过65-70dBZ甚至更高的极端强回波（Supercell特征）。极端强回波指示风暴中有深厚的、组织良好的上升气流。此外，孤立的、高耸的穹顶状回波（CD）（有时被描述为“帽子”状）是超级单体产生龙卷风的强指示器。*回波形态（形态指标）：*大冰雹潜力：钩状回波（HookEcho）的出现，指示风暴前部存在下沉气流和可能的对流不稳定性区域，是超级单体风暴的特征，常与强烈的上升气流和大型冰雹相联系。强回波覆盖范围大且呈盾状（ShieldEcho）也是大冰雹的常见特征。*龙卷风潜力：钩状回波，特别是其尖端指向风暴主体（指状特征，StingerEcho），强烈暗示存在龙卷风潜势。漏斗云（FunnelCloud）的出现（需要结合可见光或红外云图判断）直接表明有龙卷风生成。*径向速度场（速度指标）：*大冰雹潜力：在强回波区内部，特别是钩状回波尖端附近，存在明显的径向速度辐合，指示强烈的上升气流。存在“红色瓣”（RedDongle），即靠近风暴中心的高速度区，通常预示着强烈的上升气流和可能的下击暴流（Downburst），常伴随大冰雹。*龙卷风潜力：在强回波区（尤其是超级单体强回波核心或钩状回波尖端）存在反气旋式旋转结构（逆时针旋转，北半球），这可以通过分析径向速度场（如判读速度矢量辐合或辐散的垂直结构）或使用特殊算法（如旋转动量图像）来识别。这是龙卷风涡旋存在的直接证据。3.热带气旋内部能量转换过程及海温作用：*能量转换过程：1.热力来源（海温）：热带洋面温暖（通常>26.5°C），蒸发产生大量暖湿空气。这些空气富含水汽和潜在热量。2.初始抬升：暖湿空气受到科里奥利力影响开始辐合向低压中心流动，或在波动引导下被抬升。3.潜热释放：被抬升的暖湿空气达到饱和后，水汽凝结成云，释放大量的凝结潜热。这股热量使得上升气流进一步变暖、变轻，加速上升。4.正压不稳定：上升气流中的暖湿空气柱变得比周围环境空气更轻（密度更低），形成正压不稳定状态，进一步促进了垂直发展和更多的暖湿空气卷入。5.能量转换：在这个过程中，初始的热能（来自海面）和水汽潜