2025年大学《大气科学》专业题库- 大气中的降水过程研究

2025年大学《大气科学》专业题库——大气中的降水过程研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题均有四个选项，请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.在暖云中，导致云滴增长并最终形成降水的主要过程是（）。A.冰晶与过冷水滴的萨默菲尔德过程B.大颗粒云滴捕获小颗粒云滴C.霰的碰撞冻结过程D.人工冰核引发的冰水碰撞过程2.下列哪种粒子通常不会通过冰水碰撞过程增长？（）A.霰B.雪花C.过冷水滴D.冰晶3.在中低纬度地区，暖云降水效率通常比冷云降水效率高的主要原因是（）。A.暖云中水汽含量更丰富B.暖云中存在显著的过冷水滴C.暖云中凝华过程更活跃D.暖云中重力沉降作用更强4.多普勒天气雷达通过测量回波信号的（）来反演降水粒子的径向速度信息。A.亮度温度B.滤波后的功率谱C.谱宽和谱形D.微物理参数5.能够有效区分云中冰相粒子和水相粒子的仪器是（）。A.雷达B.PRT（微波辐射计）C.PIT（粒子图像测速仪）D.探空仪6.人工影响降水通常利用（）的原理，改变云中冰相粒子的微物理过程，以增加降水。A.改变云中水汽的饱和状态B.提供大量非冰核，促进冰晶增长C.增强云中上升气流强度D.直接加热云体，提高云温7.雷达雨量估算中，Z-R关系（雷达反射率因子与降雨强度的关系）的经验公式（如Okumura公式）主要适用于（）。A.冰雹天气B.雨滴天气C.雪天气D.混合相态降水8.降水粒子从形成到降落至地面，其大小、相态和形状通常会发生变化，这主要受到（）等因素的影响。A.环境温度和湿度B.重力沉降和空气动力C.云内碰撞和冻结D.以上所有因素9.某地雷达回波顶高很高，强度很强，且呈强倾斜的“屋脊”状，这通常预示着可能发生（）。A.普通降雨B.持续性强降水C.冰雹或强风暴D.毛毛雨10.活性层是冷云降水中冰晶增长的重要区域，其主要特征是（）。A.温度低于0℃，且含有过冷水滴和冰晶B.温度高于0℃，水汽含量高C.温度低于0℃，且上升气流强烈D.温度接近0℃，凝华过程活跃二、填空题（每空2分，共20分。请将正确答案填在横线上）1.暖云降水主要依靠__________过程和__________过程形成降水。2.冷云中，冰晶通过__________过程和__________过程增长。3.影响降水效率的关键因素之一是__________效率，即霰转化为雨滴的效率。4.利用雷达探测降水时，常用的探测参数包括__________和__________。5.PIT（粒子图像测速仪）主要用于测量云中粒子的__________和__________。6.人工影响降水的常用方法包括__________、__________和__________。7.雷达反射率因子Z与降水粒子的大小和相态密切相关，对于__________降水，Z值通常较小；对于__________降水，Z值通常较大。8.在萨默菲尔德过程中，冰晶与过冷水滴碰撞时，过冷水滴会__________到冰晶表面，而冰晶则__________电荷。三、名词解释题（每小题4分，共16分。请给出下列名词的definição和简要说明）1.降水效率2.霰3.多普勒效应4.自然冰核四、简答题（每小题6分，共18分。请简要回答下列问题）1.简述米里-德布罗意理论关于云滴谱增长的基本思想。2.简述萨默菲尔德过程的基本原理及其对冷云降水的重要性。3.简述多普勒天气雷达在降水观测中有哪些主要应用。五、论述题（每小题10分，共20分。请结合所学知识，深入分析和阐述下列问题）1.试述影响大气中降水形成的主要因素，并分析其中最关键的几个环节。2.结合雷达探测原理，论述如何利用雷达资料识别不同类型的降水（如雨、雪、冰雹）并估算其强度。指出其中可能存在的主要困难和误差来源。---试卷答案一、选择题1.B2.C3.D4.C5.A6.B7.B8.D9.C10.A二、填空题1.并行碰撞增长，accretion(冰水碰撞)2.碰撞冻结增长，accretion(冰水碰撞)3.霰-雨4.反射率因子Z，滤波后功率谱（或速度谱）5.速度，相位(或相位差)6.播撒盐粉，播撒碘化银，增加过冷水滴(或启发结晶)7.雨，冰雹(或雪，冰雹)8.集结（或冻结），失去（或转移）三、名词解释题1.降水效率：指云中液态水（或霰）通过降水过程最终到达地面的比例。它反映了云中水汽利用效率或降水形成过程的完善程度。影响降水效率的因素包括云滴谱、云内碰撞效率、环境条件等。解析思路：定义要抓住“液态水/霰”到“地面”的“比例”。说明其反映的是“水汽利用”或“降水过程完善度”。提及影响因素如“云滴谱”、“碰撞效率”、“环境条件”。2.霰：是冷云中的一种重要降水粒子，呈白色不透明圆球状或圆锥状，主要由过冷水滴反复冻结冰晶增长而成，半径通常小于5毫米。霰可以进一步转化为雨滴或冰雹。解析思路：定义要抓住“冷云”、“白色不透明”、“圆球/圆锥状”、“过冷水滴冻结增长”、“半径小于5毫米”等关键特征。并说明其后续转化可能为“雨滴”或“冰雹”。3.多普勒效应：指波源与观测者相对运动时，观测者接收到的波频率会发生变化的现象。对于雷达，当发射的电磁波被相对于雷达运动的降水粒子反射回来时，接收到的回波频率会相对于发射频率发生偏移（升高或降低），偏移量与粒子径向速度成正比。解析思路：定义要抓住“波源与观测者相对运动”、“接收频率变化”。结合雷达应用，说明是“电磁波”、“降水粒子反射”、“回波频率偏移”、“偏移量与径向速度成正比”。4.自然冰核：指在云中能够自发凝结或冻结水汽而形成冰晶的微小颗粒，其过冷水汽压低于同温度下的纯水。自然冰核的浓度通常很低，尤其是在非冰冻层结的云中。解析思路：定义要抓住“自发凝结或冻结水汽形成冰晶”、“过冷水汽压低于纯水”。并指出其特点是“浓度低”。四、简答题1.简述米里-德布罗意理论关于云滴谱增长的基本思想。米里-德布罗意理论认为，云滴谱的增长主要受两种机制控制：一是由于大颗粒云滴对周围小颗粒云滴的静电排斥作用，使得大颗粒云滴能够相对容易地捕获周围小颗粒云滴；二是由于粘性效应，使得小颗粒云滴更容易粘附在大颗粒云滴上。当云滴半径增大到一定程度（约0.1-0.2毫米），粘性效应占主导，云滴主要通过捕获过冷水滴增长。该理论解释了在缺乏凝华核的情况下，云滴为何能够增长到足以克服空气阻力而降落。解析思路：首先点明理论名称。然后分别解释两种机制：静电排斥（大颗粒排斥小颗粒）和粘性效应（小颗粒易粘附大颗粒）。指出主导机制及其半径范围。最后点出该理论的核心解释——云滴如何增长到足以降水。2.简述萨默菲尔德过程的基本原理及其对冷云降水的重要性。萨默菲尔德过程是指云中微小冰晶在重力作用下落入过冷云层（温度低于0℃但含有大量过冷水滴的云层），与过冷水滴碰撞时，过冷水滴会冻结在冰晶表面，从而使冰晶迅速增长。这个过程类似于“雪球滚雪人”，冰晶通过不断收集周围的过冷水滴而变大。萨默菲尔德过程是冷云中冰晶增长的主要方式之一，对于形成雪花、霰乃至冰雹等降水粒子至关重要。解析思路：首先点明过程名称。然后解释其物理机制：“微小冰晶”在“重力作用下”落入“过冷云层”，“与过冷水滴碰撞”，“过冷水滴冻结在冰晶表面”，“冰晶迅速增长”。用比喻“雪球滚雪人”帮助理解。最后强调其“重要性”和“主要方式之一”，以及能形成“雪花、霰、冰雹”等粒子。3.简述多普勒天气雷达在降水观测中有哪些主要应用。多普勒天气雷达的主要应用包括：①探测云中降水粒子的径向速度场，用于识别风暴中的强上升气流和下沉气流，判断风暴类型和强度；②通过测量雷达反射率因子Z，估算降水的强度（如降雨量）；③分析雷达回波强度、形态、顶高、移动速度等特征，进行风暴的跟踪和预报；④探测冰雹粒子，识别冰雹云；⑤研究云的微物理过程，如粒子相态、大小分布等；⑥为人工影响天气提供决策支持。解析思路：列举主要应用时，从“速度探测”（识别气流、判断风暴）入手，然后是“强度估算”（Z因子），接着是“综合分析”（回波特征、跟踪预报），再扩展到“微物理研究”（粒子相态、大小）和“应用领域”（冰雹探测、人工影响天气）。覆盖全面且突出多普勒特性（速度）。五、论述题1.试述影响大气中降水形成的主要因素，并分析其中最关键的几个环节。影响大气中降水形成的主要因素包括：①云的微物理条件：如云滴（或冰晶）浓度、大小分布；水汽含量；凝结核和冰核浓度；云的温度结构（是否存在过冷层、冰冻层）。②云的动力条件：如云内上升气流强度和垂直尺度；云的宏观尺度（水平尺度和生命史）。③环境大气的稳定性：如大气层结的稳定性，决定了对流的发生和发展。④降水粒子自身的特性：如粒子的尺度、相态、形状和下落速度。其中最关键的环节通常被认为是：云滴谱的增长过程：这是降水粒子形成和增大的基础。无论是暖云中的并行碰撞增长还是冷云中的冰水碰撞增长和冰晶增长过程，都直接决定了能否形成足够大的降水粒子。没有有效的增长过程，大量微小的云滴无法克服空气阻力形成降水。其次是云内是否存在有效的上升气流：强大的上升气流能够将增长中的降水粒子输送到更高的、更冷的区域，使其继续增长或保持悬浮，最终有机会降落。此外，过冷水的存在（对于暖云和冷云的霰/雨增长）和冰核的存在（对于冷云冰相过程）也是降水形成不可或缺的前提条件。解析思路：首先分类列出主要影响因素（微物理、动力、环境稳定、粒子自身）。然后重点分析“云滴谱增长过程”的关键性，对比其他因素的重要性。强调增长过程是“基础”，决定了“能否形成大粒子”。其次指出“上升气流”的重要性（输送粒子）。再补充“过冷水/冰核”的必要性。结构清晰，逻辑递进。2.结合雷达探测原理，论述如何利用雷达资料识别不同类型的降水（如雨、雪、冰雹）并估算其强度。指出其中可能存在的主要困难和误差来源。利用雷达识别不同类型降水和估算强度主要依据雷达反射率因子Z及其相关参数，以及降水粒子与雷达波的相互作用差异。原理如下：①雷达反射率因子Z：不同类型降水粒子的大小和形状差异导致对雷达波的散射能力不同。通常，粒子越大、越粗糙，Z值越高。因此，Z值可以大致反映降水强度。大致规律是：雨>雪片>霰>冰雹（小冰雹），但混合相态降水会使规律复杂化。②粒子相态判别：结合温度资料和Z值特征。例如，在低于0℃的暖层结中，若Z值较低且谱宽较窄，可能为雨；若Z值高，可能为雪或霰；若Z值非常高（如>50-60dBZ）且回波顶高很高，呈强倾斜结构，则可能是冰雹或强风暴。③多普勒参数：雷达速度谱特征也可提供信息。例如，强对流云中常存在大范围的强上升气流（正速度）和下沉气流（负速度），是冰雹或强风暴的标志。回波顶的径向速度也可指示风暴强度。④差分反射率Z'和差分相移ZDP：这些差分参数利用水平和垂直极化波的差异来区分粒子相态。通常，冰雹的Z'和ZDP值显著高于雨滴和雪花。估算强度：主要通过建立本地的Z-R关系经验公式来将Z值转换为降雨率（或雪深）。对于混合相态降水，估算会更复杂，可能需要结合其他信息或使用更复杂的微物理模型。主要困难和误差来源：①Z-R关系的不确定性：Z-R关系是经验性的，因降水类型、粒子谱、地形等因素而变化，不同地区需要本地化标定。②混合相态降水的影响：实际降水常为混合相态，混合比例会显著影响Z值，使得根据Z值判断相态和估算强度变得困难。③粒子形状和后向散射截面积的影响：雷达主要探测粒子的后向散射截面积，而截面积不仅与大小有关，还与形状（如雪花的复杂形状）有关，这增加了定量反演的难度。④近地效应和地形影响：雷达位于地面附近时，地物回波会干扰降水回波，