2025年大学《应用气象学》专业题库- 大气环境污染对气象预测的影响

2025年大学《应用气象学》专业题库——大气环境污染对气象预测的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述气溶胶的物理化学特性，并说明这些特性如何影响其在大气中的行为及其对气象要素可能产生的直接或间接影响。二、阐述大气污染物对大气辐射平衡的具体影响机制。以硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶为例，分别说明它们对地表和大气辐射平衡可能产生的不同效应。三、详细说明气溶胶的“第一间接效应”（即云反照率效应）和“第二间接效应”（即云滴数效应）的物理过程。分析这两种效应可能对区域降水预报产生的潜在影响。四、讨论近地面大气边界层结构在受到城市污染物积累（如PM2.5）的影响下可能发生的变化，并解释这些变化如何反作用于近地面气象要素（如温度、风速、湿度）的局地预报。五、当前数值天气预报模式在处理气溶胶物理化学过程方面存在哪些主要的挑战？请结合模式参数化的基本思路，分析其原因，并提出可能的改进方向。六、重污染天气过程通常伴随着复杂的非局地气象条件。从污染物输送和转化角度，分析重污染天气的形成机制，并探讨其在气象预测方面带来的特殊困难和难点。七、结合地面气象观测站的实际情况，分析大气污染物（特别是气溶胶）的污染程度（如高浓度PM2.5）可能对气象要素（如气温、湿度、风向风速）的观测记录产生哪些偏差或误差？气象学上通常采用哪些方法来尝试修正这些偏差？八、试述综合运用气象学和环境科学知识对于提高重污染天气预警预报准确性的重要意义。请举例说明在重污染天气预警中，需要重点关注哪些气象和环境因素及其相互作用。试卷答案一、气溶胶的物理化学特性主要包括粒径大小、形状、化学成分、水溶性、光学特性（吸光性、散射能力）和表面活性等。这些特性影响其在大气中的沉降速率、停留时间、化学转化能力和辐射传输特性。*解析思路：首先列出气溶胶的关键物理化学特性。然后，逐一说明这些特性如何影响大气过程：粒径影响沉降和扩散；化学成分影响反应活性；光学特性决定其对辐射的吸收和散射，进而影响辐射平衡；水溶性影响其湿清除过程；表面活性影响云滴凝结和蒸发过程。最后，总结这些特性如何共同作用，产生对气象要素的影响。二、大气污染物通过吸收或散射太阳辐射和地表辐射，改变到达地表的短波辐射和离开地表的长波辐射，从而影响大气辐射平衡。*硫酸盐气溶胶：通常具有较大的散射能力，尤其对太阳短波辐射，能有效反射太阳光，导致地表接收到的短波辐射减少，产生冷却效应。同时，部分硫酸盐气溶胶具有吸湿性，可作为云凝结核，可能增加云滴数（第二间接效应的一部分），但通常对第一间接效应（云反照率效应）的贡献较小。整体上，硫酸盐倾向于产生一定的冷却效应。*黑碳气溶胶（BC）：具有强烈的吸收能力，主要吸收太阳短波辐射，导致其上空大气温度升高（直接辐射强迫），并可能加热地表（热惯性差异）。同时，黑碳也是高效的吸湿核心，能显著增加云滴数（增强第二间接效应），并可能改变云的微物理特性。黑碳还通过沉降过程将热量带到地表以下。整体上，黑碳倾向于产生显著的增温效应。*解析思路：首述污染物影响辐射平衡的基本原理。然后，分别针对硫酸盐和黑碳，结合其光学特性（散射/吸收）、化学性质（凝结核能力）和垂直分布特点，具体阐述其对上下行短波和长波辐射的影响，并说明其对地表温度的最终效应（冷却或增温）。三、*第一间接效应（云反照率效应）：气溶胶作为云凝结核，会显著增加云中的云滴数，但在云的其他物理特性（如云层厚度、云滴大小分布）保持不变的情况下，导致单个云滴的体积变小。这使得云滴对太阳辐射的散射能力下降，云的反照率降低，云更透明，向地面的直接短波辐射传输增加，从而可能增加区域总降水量或改变降水形态。*第二间接效应（云滴数效应）：气溶胶增加云滴数不仅影响反照率，还改变了云的微物理过程。增加的云滴数可能显著降低云滴的蒸发速率，增加云的维持时间。同时，更多的云滴可能改变云的降水效率（如冰晶形成过程），或影响云的破裂和合并过程。这些综合效应可能导致区域降水总量、降水强度、降水持续时间以及降水类型发生变化。具体影响（增加或减少降水）取决于云的类型、气溶胶的类型和浓度等多种因素。*解析思路：清晰定义两种间接效应。对第一间接效应，解释气溶胶增核如何导致云滴变小、反照率降低、短波辐射增加。对第二间接效应，解释气溶胶增核如何通过影响云滴蒸发、降水效率和云的动态过程，进而影响降水总量、强度等。强调这两种效应的复杂性，指出其影响并非总是增加降水。四、城市污染物（特别是PM2.5）的积累会显著改变近地面大气边界层的结构和特性。*污染物对边界层结构的影响：*降低边界层高度：PM2.5具有吸湿性，在相对湿度较高时易吸水增长，形成的湿沉降或吸湿增长后的重力沉降会迅速清除近地面的污染物，导致近地面大气稳定度增加，抑制混合，从而降低边界层高度。*改变温度廓线：污染物（尤其是黑碳）的加热效应可能导致近地面温度高于周边清洁空气，形成逆温层，进一步抑制边界层垂直发展。*影响近地面风场：污染物可能改变地表反照率，导致局地热力差异，进而影响近地面风场。例如，城市热岛效应会加剧近地面辐合，可能增强低层环流。同时，污染物本身的质量力也会对风产生微弱影响。*对气象要素预报的影响：边界层结构的改变直接影响了近地面气温、湿度、风速的分布和变化。例如，降低的边界层限制了热量和水分的垂直交换，使得近地面气温更受地表状况影响，湿度层结更稳定。风场的变化则直接影响污染物自身的扩散和累积。因此，在预报重污染天气或城市局地天气时，必须考虑污染物对边界层的影响，否则预报的近地面气象要素（特别是温度、湿度、风速）会存在较大偏差。*解析思路：首先指出污染物对边界层结构的核心影响（降低高度、改变温度廓线、影响风场），并解释其物理机制（湿清除、热力效应、质量力）。然后，将这些结构变化与近地面气象要素（气温、湿度、风速）的具体变化联系起来，阐明其对局地气象预报准确性的重要性，特别是在重污染或城市环境下。五、当前数值天气预报模式在处理气溶胶物理化学过程方面面临的主要挑战包括：*气溶胶理化性质参数化复杂：气溶胶的化学成分、粒径分布、形貌、光学性质等在时空上变化迅速且复杂，难以用简单的参数化方案准确描述。特别是次微米气溶胶的生成、增长和转化过程涉及复杂的化学反应和物理过程。*气溶胶-云-辐射相互作用反馈过程复杂：气溶胶影响云和辐射，云和辐射又反过来影响气溶胶的生成和沉降。这种三者的快速正负反馈循环非常复杂，现有模式难以完全准确模拟这些反馈机制及其对气候系统的影响。*观测资料的缺乏和限制：缺乏足够时空分辨率的气溶胶本底浓度、垂直分布、化学组分和光学特性等观测资料，限制了模式的验证和改进。地基观测易受污染自身影响，卫星遥感在垂直分辨率和成分反演上也存在困难。*计算成本高：在模式中包含详细的气溶胶模块，特别是考虑多相化学过程和复杂的微物理反馈时，会显著增加模式的计算量，对计算资源提出更高要求。*模式分辨率限制：气溶胶的许多重要过程（如云滴成核、沉降）发生在较小尺度上，现有模式分辨率尚不足以完全捕捉这些过程。*改进方向：发展更先进的气溶胶化学和物理过程参数化方案；加强多源观测资料的融合与同化；发展区域或城市尺度的高分辨率模式；改进模式与化学传输模型的耦合方案；利用人工智能等技术提升参数化精度。*解析思路：从模式工作的核心环节（输入、过程、反馈、输出、计算）分析挑战。输入端强调理化性质参数化的难度和观测资料的缺乏。过程端强调气溶胶-云-辐射复杂反馈的模拟困难。输出端可略。计算端指出资源需求。分辨率也是一个关键因素。最后提出可能的改进途径，如参数化方案、观测、分辨率、耦合等。六、重污染天气的形成通常需要特定的气象条件与污染源排放共同作用。*形成机制：*静稳天气系统：地面气压场辐合、风速小、气压梯度力弱，导致大气边界层高度低且稳定，污染物难以扩散稀释，易在近地面积累。*逆温层存在：近地面出现逆温层，如同一个盖子，阻止了污染物向上扩散。常见的逆温类型包括辐射逆温、平流逆温、锋面逆温等。*低层大气扩散能力差：风速小、湿度大、混合层高度低，整体大气垂直和水平混合能力弱。*持续的污染排放：工业生产、交通排放、扬尘等持续释放大量污染物。*气象预测方面的特殊困难和难点：*对初始污染浓度的敏感性强：重污染天气的爆发往往与近地面已存在的较高污染物浓度有关，初始状态场的准确性至关重要。*边界层结构和逆温的模拟难度大：模式对近地面风切变、混合层高度、逆温层的位置和强度等细节的模拟能力直接影响预报效果，而这些过程受地表特性、热力条件等多种因素影响，模拟误差可能较大。*污染物扩散的模拟精度低：污染物扩散过程极其复杂，涉及湍流输送、干湿沉降、化学反应等多种机制，现有模式对这些过程的参数化仍有很大不确定性，导致扩散路径和浓度的预报精度有限。*多尺度系统相互作用复杂：重污染天气可能受到大型天气系统（如高压脊、锋面）和局地热力条件（如城市热岛）等多种尺度系统的共同影响，其演变机制复杂，增加了预报难度。*预警时效短：污染物浓度变化快，一旦气象条件转为不利于扩散，浓度可能在短时间内迅速升高，要求气象预报具有更短的预报时效和更高的准确率。*解析思路：首先从污染气象学角度分析重污染形成的必要条件（气象背景：静稳、逆温、低扩散能力；污染源：持续排放）。然后，重点分析这些因素给气象预测带来的具体挑战，围绕初始条件敏感性、边界层/逆温模拟、扩散模拟、多尺度相互作用、预警时效等方面展开，阐述为何重污染天气预报是难点。七、大气污染物（特别是气溶胶）的污染程度对气象要素观测记录会产生多种偏差。*对气温观测的影响：*直接效应：污染物（尤其是黑碳）对太阳短波辐射的吸收导致近地面增温，使得气温计测得的气温高于清洁空气下的真实气温。*间接效应：气溶胶导致的逆温层会限制大气垂直混合，使得近地面气温更受地表热力状况（如城市热岛）的影响，观测到的气温可能偏高。同时，气溶胶影响云量和云的类型，进而改变地表的长波辐射交换，也可能影响气温。*对湿度观测的影响：*能见度降低：高浓度的气溶胶（水汽凝结物或颗粒物本身）导致能见度急剧下降，使得通过光学方法（如能见度仪）测量的水汽含量可能不准确。*湿沉降影响：污染物（如硫酸盐气溶胶）可作为凝结核，增加云量和降水，加速近地面水汽蒸发或形成湿沉降，改变局地湿度场。观测站的湿度记录会反映这种变化。*测量仪器干扰：颗粒物可能干扰湿度仪器的测量，如湿球温度计因尘土覆盖导热性改变而读数不准。*对风速风向观测的影响：*近地面风场畸变：城市建筑群、污染团块的存在会严重扰乱近地面气流，导致测站的风速风向代表性差，与周围自由大气存在显著偏差。*污染物自身质量力：大气中大量污染物颗粒的存在会产生微弱的质量力，可能对近地面风场产生微小的附加影响。*修正方法：*质量控制：对受污染影响的观测数据进行识别和剔除。*代表性分析：评估测站观测环境是否具有代表性，对于城市站点，可使用多层站点网络或数值模拟进行评估和修正。*模型模拟：利用数值模式模拟污染物浓度对气象要素观测的影响，进行订正。例如，模拟城市冠层对气温的影响。*统计方法：建立污染物浓度与气象要素偏差之间的统计关系进行修正。*改进观测技术：发展能更好穿透污染气溶胶或不受其干扰的观测仪器和方法。*解析思路：分别针对气温、湿度、风速风向，分析污染物可能产生的具体观测偏差及其原因（物理机制、仪器干扰、代表性问题）。然后，列举气象学上常用的修正方法，包括质量控制、代表性评估、模型订正、统计关系和改进观测技术等。八、综合运用气象学和环境科学知识对于提高重污染天气预警预报的准确性至关重要，因为重污染天气本身就是气象条件与大气环境（污染物）相互作用的结果。*综合运用的重要性：*更准确地评估初始状态：污染气象学知识有助于理解前期的污染积累过程和污染物的空间分布特征，为数值模式提供更合理的初始污染物浓度场。*更精确地模拟物理过程：结合气象学（边界层物理、辐射传输）和环境科学（气溶胶化学、微物理过程）的知识，可以改进数值模式中相关参数化方案，更真实地模拟气溶胶的生成、转化、输送、沉降以及其对云和辐射的影响，从而提高对重污染发展演变过程的预报能力。*更有效地进行风险评估：环境科学知识有助于评估不同污染物的健康危害，结合气象预报的扩散条件，可以更准确地预测重污染影响的区域、程度和持续时间，为公众健康防护提供更科学的依据。*发展更有效的预警技术：综合运用多普勒雷达、卫星遥感（监测云、气溶胶）、地面监测网络（监测污染物浓度、气象要素）等多种手段，并结