2025年大学《大气科学》专业题库- 大气中气溶胶对气象系统的影响

2025年大学《大气科学》专业题库——大气中气溶胶对气象系统的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填入括号内）1.下列哪种气溶胶成分通常被认为对气候系统具有显著的冷却效应？A.黑碳B.海盐颗粒C.硫酸盐D.有机碳2.在大气科学中，能够有效吸附水汽并形成云滴的气溶胶颗粒被称为：A.冰核(IN)B.沙尘C.云凝结核(CCN)D.黑碳3.气溶胶的“第一间接效应”主要是指：A.气溶胶吸收红外辐射导致大气增温B.气溶胶散射太阳辐射，增加地表反射率C.气溶胶作为CCN增加云滴数浓度，导致云反照率增加D.气溶胶作为IN增加冰晶数浓度，改变云的微物理结构4.下列哪种人类活动是城市地区气溶胶的主要来源？A.植被燃烧B.海浪喷溅C.交通排放D.火山喷发5.气溶胶从大气中去除的主要途径是：A.光化分解B.大气扩散C.沉降（干沉降和湿沉降）D.化学转化二、填空题6.气溶胶的粒径通常用________(单位)或________(单位)来表示。7.气溶胶的光学厚度（AOD）是衡量大气________(现象)强度的关键参数。8.能够吸收太阳短波辐射的气溶胶主要是指________气溶胶。9.云凝结核（CCN）通常指在________K左右的过饱和条件下能够吸湿增长形成云滴的气溶胶颗粒。10.气溶胶对大气辐射平衡的影响包括________效应和________效应。三、名词解释11.气溶胶光学厚度(AOD)12.黑碳(BC)13.云凝结核(CCN)14.直接效应15.边界层四、简答题16.简述气溶胶作为云凝结核（CCN）如何影响云的形成和发展。17.比较硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶对气候系统可能产生的最主要影响差异。18.简述气溶胶湿沉降的主要机制，并说明其对大气化学和环境的影响。五、论述题19.论述气溶胶的间接效应在大气气候系统中的作用机制及其重要性。为什么理解气溶胶的间接效应如此困难？20.结合边界层气象学的知识，论述城市大气中的气溶胶如何影响局地的热力和动力结构。试卷答案1.C2.C3.C4.C5.C6.微米(µm)/纳米(nm)7.散射8.黑碳9.010.直接/间接11.气溶胶光学厚度(AOD)：指大气中气溶胶对太阳辐射的消光比率，是无量纲量，用于定量描述气溶胶对大气透明度的影响。AOD越大，表示大气中气溶胶含量越高，对太阳辐射的削弱作用越强。12.黑碳(BC)：又称烟黑粒子，是化石燃料和生物质不完全燃烧产生的纯碳质颗粒，具有强烈的吸收太阳短波辐射的能力，是大气中主要的温室气体之一，也是影响区域和全球气候的重要气溶胶成分。13.云凝结核(CCN)：指在云形成过程中，能够吸收水汽并在饱和水汽压下增长到足够大尺寸，能够作为云滴核心的气溶胶颗粒。通常指在0K左右过饱和条件下能够吸湿增长形成云滴的气溶胶颗粒，其存在对云滴的初始形成和大小分布有决定性影响。14.直接效应：指气溶胶直接通过其光学特性（吸收和散射）对大气辐射平衡产生的影响。包括：反射太阳辐射导致地表和大气层顶接收到的短波辐射减少，引起冷却；吸收太阳辐射导致大气层顶能量增加或地表与大气的能量交换发生变化，可能引起增温。15.边界层：指地球表面（如陆地或海洋）附近，其气象要素（如温度、风速、湿度等）受地表物理条件显著影响的一层大气。其高度通常在白天约为1-2公里，夜间较小。气溶胶的生成、传输和沉降与边界层内的垂直混合和地表活动密切相关。16.解析思路：CCN是云滴形成的初始核。当大气中存在CCN时，水汽会在这些颗粒表面凝结，形成微小的云滴。云滴的数量浓度和大小分布受到CCN浓度的直接影响：CCN浓度越高，初始形成的云滴数量就越多，平均云滴直径则相对较小。云滴数浓度的增加会显著影响云的宏观特性，如云量、云的垂直厚度以及最重要的——云的反照率（即云对太阳辐射的反射能力）。更多的云滴意味着更高的云反照率，云会更有效地反射太阳辐射回太空，从而对区域和全球的能量平衡产生冷却效应。此外，CCN浓度也影响云的降水效率，高CCN可能使云滴过于细小，难以碰撞增长形成大雨滴而降落。17.解析思路：硫酸盐气溶胶（如硫酸盐）主要来源于大气中的二氧化硫（SO2）氧化，常见于工业排放和火山喷发等。它对太阳辐射主要是散射作用，且散射能力较强，倾向于增加大气对短波辐射的反射，导致地表和低层大气温度下降，产生显著的冷却效应。硫酸盐气溶胶在大气中通常寿命较长（数周至数月），可以传输到很远的距离，因此其冷却效应具有较大的区域性乃至全球性。黑碳气溶胶（烟黑粒子）是化石燃料和生物质燃烧的产物。它是一种黑色的固体颗粒，对太阳短波辐射具有强烈的吸收能力，尤其是在可见光波段。这种吸收会导致大气（尤其是低层大气）增温，并对地表产生增温效应。此外，黑碳沉降到冰雪表面（如极地冰盖、高山冰川）会降低冰雪的反照率，使其更快吸收太阳辐射而加速融化，这是一种重要的气候反馈机制。黑碳的寿命相对较短（几天到几周），主要影响其所在区域的边界层和直接下风向的区域。总结来说，硫酸盐主要致冷（散射），影响广，寿命长；黑碳主要致暖（吸收），影响边界层和局部，寿命短，并有重要的冰雪反照率反馈。18.解析思路：气溶胶湿沉降是指气溶胶颗粒被云或雨滴捕获，并通过降水过程从大气中去除的过程。其主要机制包括：1)云滴捕获：气溶胶颗粒（特别是较大或表面性质适宜的颗粒）可以直接被生长中的云滴包裹或碰撞并合并到云滴上。2)云滴碰并：作为云滴的核，气溶胶颗粒参与了云滴的成核和增长过程，当这些含有气溶胶核心的云滴长大后，在云中与其他云滴发生碰撞合并，最终汇入降水粒子（雨滴或雪晶）。3)被雨滴/雪晶捕获：气溶胶颗粒可以悬浮在云中，后被形成的雨滴或雪晶在下降过程中捕获。湿沉降将大气中的气溶胶及其携带的化学物质（如重金属、硫酸盐、硝酸盐等）带到地表，对水体、土壤和生态系统产生影响。例如，酸雨就是含有硫酸和硝酸等酸性物质的降水，由含硫/氮气溶胶湿沉降形成，可导致土壤酸化、水体酸化、腐蚀建筑物等。同时，湿沉降也是大气自净的重要途径之一。19.解析思路：气溶胶的间接效应是指气溶胶通过改变云的微物理特性，进而间接影响大气辐射平衡的过程，其核心在于气溶胶作为云凝结核（CCN）和冰核（IN）的作用。作用机制：1)第一间接效应（云反照率效应）：气溶胶浓度影响云滴数浓度。高CCN浓度导致形成更多的、更小的云滴，使得云的总表面积增大，云反照率（云对太阳辐射的反射率）增加，云更有效地反射太阳辐射回太空，导致大气系统冷却。反之，低CCN浓度下云滴较大，云反照率较低。2)第二间接效应（云寿命/光学深度效应）：高云滴数浓度可能改变云的微物理过程，如增加云的蒸发速率或改变降水效率，导致云的寿命缩短或光学厚度减小，从而减少对太阳辐射的吸收和散射总量，同样导致冷却。这些效应的净结果（正或负）以及强度受气溶胶类型、浓度、云的类型等多种因素影响，且存在很大的不确定性。重要性：气溶胶间接效应被认为是当前不确定性和对气候系统的总强迫贡献中最大的部分之一，仅次于温室气体。理解气溶胶间接效应对于准确评估人类活动对气候的影响、预测未来气候变化至关重要。困难性：理解气溶胶间接效应之所以困难，主要有以下几点：1)气溶胶本身的时空变率极大，从本地污染到全球传输，从小时尺度到季节尺度都有显著变化，准确测量其浓度和特性非常困难。2)气溶胶与云的相互作用复杂，涉及多物理场（辐射、流体力学、微物理）的耦合。3)云本身的复杂性（类型、结构、发展阶段等）也极大地影响着气溶胶效应的表现。4)实验模拟（实验室、现场观测）和数值模式模拟在模拟这些复杂相互作用时都存在局限性和不确定性。特别是第二间接效应的模拟，其不确定性仍然很大。20.解析思路：城市大气中的气溶胶浓度通常远高于郊区或乡村地区，其类型也以人为来源为主（如交通排放的黑碳、硫酸盐、硝酸盐、有机碳等）。这些气溶胶对城市边界层的热力和动力结构产生显著影响：热力方面：1)直接增温效应：城市中的黑碳等吸光性气溶胶吸收太阳短波辐射和地表长波辐射，直接加热大气，尤其是在边界层低层。2)温室效应：气溶胶本身（如硫酸盐、有机碳）和作为凝结核/冰核影响云的辐射特性，都可能间接导致城市区域及其上空大气增温。3)城市热岛效应加剧：气溶胶的这些增温效应叠加在自然城市热岛效应之上，进一步加剧了城市地区的温度高于周边郊区的现象。动力方面：1)边界层结构改变：气溶胶可以影响近地面的湍流混合。一方面，气溶胶对太阳辐射的散射可以增加到达地面的漫射光，可能抑制低层混合；另一方面，气溶胶加热低层大气可能增强对流活动，加剧垂直混合。综合效果取决于气溶胶类型、浓度和气象条件。气溶胶的垂直分布可以影响边界层的高度。2)局地环流影响：城市地表性质（受气溶胶影响）和温度异常（热岛）会改变城市冠层边界层的温