2025年大学《大气科学》专业题库- 大气环境中气体扩散模型研究

2025年大学《大气科学》专业题库——大气环境中气体扩散模型研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.根据Fick扩散定律，气体扩散的驱动力是（）。A.污染物浓度梯度B.风速大小C.大气温度D.污染源强度2.高斯烟羽模型主要适用于描述（）。A.面源污染的扩散B.体源污染的扩散C.点源污染在稳定气象条件下的扩散D.瞬时点源释放的污染物浓度3.在高斯烟羽模型中，下风向距离x增大，污染物浓度C(x,y,z)的变化趋势是（）。A.始终增大B.始终减小C.先增大后减小D.在一定距离后趋于稳定或减小4.高斯烟羽模型中，y方向的扩散参数σy主要取决于（）。A.污染源有效高度HB.污染源强度QC.下风向距离xD.气象条件（如风速、稳定度）5.大气稳定度等级越高，表示（）。A.边界层高度越大B.气温垂直梯度越大C.污染物垂直扩散能力越强D.污染物水平扩散能力越强6.箱式模型主要用于模拟（）。A.污染物在连续空间中的瞬时扩散B.污染物在网格区域内的平均浓度C.点源污染在长距离下的烟羽扩散D.面源污染对近地面的影响7.数值大气扩散模型相较于高斯模型，其主要优势在于（）。A.只能处理点源B.无法考虑地形影响C.能模拟复杂几何形状、多种污染源及三维扩散D.计算结果更精确，无需考虑参数不确定性8.影响大气扩散参数计算的经验公式通常依赖于（）。A.污染源排放口尺寸B.污染物化学性质C.气象观测数据和时间尺度D.下垫面类型9.在进行大气扩散模型应用时，模型验证的主要目的是（）。A.校准模型参数B.选择合适的模型C.确认模型预测结果与实际观测的符合程度D.评估污染源的排放强度10.对于城市环境中的大气扩散，城市建筑物群会（）。A.增加大气稳定度等级B.抑制污染物向上扩散C.增强下风向的污染物浓度D.使污染物扩散更加均匀二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题后的横线上）1.大气边界层是指______与______之间的气层，其垂直尺度受______控制。2.高斯烟羽模型的标准坐标系中，x轴代表______方向，y轴代表______方向，z轴代表______方向。3.影响大气扩散的主要气象因素包括______、______、______和大气稳定度。4.扩散参数σx、σy、σz分别表示污染物浓度在______、______、______方向的分散程度。5.箱式模型假设整个控制体积内的污染物浓度是______的，并且污染物在体积内混合均匀。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述高斯烟羽模型的基本假设条件。2.简述大气稳定度对污染物扩散的影响机制。3.简述大气扩散模型验证的一般步骤。四、计算题（每题10分，共20分）1.某工业点源位于地面，排放速率为2kg/s，有效源高为30m。假设在稳定B类气象条件下，下风向10km处的风速为3m/s，请利用高斯烟羽模型计算该处距地面2m高度的污染物浓度。（已知：B类稳定度下，x=10km时，σx=0.22x=2.2km，σz=0.1x=1.0km）2.假设一个体积为1000m³的箱式控制体积，内部污染物初始浓度为0.01mg/m³。在时间段Δt=1小时内，有污染物以速率Q=0.002mg/s进入箱体，同时箱体内污染物以速率R=0.001mg/m³·s进行化学反应或沉降去除。请计算1小时后箱体内污染物的浓度。五、论述题（10分）论述大气扩散模型在实际环境管理和规划中的应用价值及其面临的主要挑战。试卷答案一、选择题1.A2.C3.D4.D5.C6.B7.C8.C9.C10.C二、填空题1.地面/大气层顶/气温垂直梯度2.下风向/跨风向/垂直3.风速/气温/湿度4.下风向/跨风向/垂直5.均一三、简答题1.解析思路：高斯模型假设条件是核心考点。需要列出其基本前提：点源或近似点源、连续稳定排放、气象条件稳定（主要是风和扩散参数）、污染物在混合良好的大气边界层中做无源汇的扩散、采用高斯函数描述浓度分布。答案要点：*污染源为点源或近似点源。*污染物连续稳定排放。*大气边界层稳定，气象条件（风速、扩散参数）不随时间变化。*污染物在扩散过程中无沉降、无化学反应、无稀释。*采用高斯函数描述污染物浓度在空间上的分布。2.解析思路：理解稳定度对混合层高度和扩散能力的双重影响。稳定度等级高，意味着大气垂直运动受抑制，混合层高度降低，污染物难以向上扩散，只能主要在近地面水平扩散，导致近地面浓度较高。反之，不稳定时垂直混合强，混合层高，水平扩散也相对较好。答案要点：*高稳定度时，大气垂直运动受抑制，形成的混合层高度较低。*污染物主要在近地面进行水平扩散。*垂直扩散能力弱，污染物难以向上扩散稀释。*通常导致近地面污染物浓度较高。3.解析思路：模型验证是确保模型可靠性的关键步骤。其核心是比较模型预测结果与实际观测数据。一般步骤包括：确定验证指标（如R²、均方根误差RMSE）、选择合适的观测数据、进行模型模拟、计算模拟值与观测值的偏差、评估偏差是否在可接受范围内、分析偏差原因并据此改进模型。答案要点：*收集模型预测区域和时期的同步、可靠的实测数据。*选择合适的验证统计指标（如决定系数R²、均方根误差RMSE等）。*运用待验证模型对观测数据进行模拟或反演。*计算模型模拟值与实测值之间的偏差。*将偏差与预设的阈值进行比较，判断模型精度。*分析偏差较大的原因（如参数设置不当、模型假设不符、未考虑因素等）。*根据分析结果对模型进行修正或改进。四、计算题1.解析思路：直接应用高斯烟羽模型公式计算。注意单位统一，特别是距离和扩散参数。公式为：C(x,y,z)=(Q/(2πσxσzυ))*exp[-(y²/(2σy²))-(z-H)²/(2σz²)]。由于题目给出的是σx和σz随距离的函数，且y=0，z=2m，可直接代入计算。计算过程：C(10,0,2)=(2/(2π*2.2*1.0*3))*exp[-(0²/(2*0.22²*10²))-((2-30)²/(2*1.0²*10²))]=(2/(2π*2.2*1.0*3))*exp[-0-(2884/200)]=(2/(2π*6.6))*exp(-14.42)=(1/(3.3π))*exp(-14.42)≈0.0978*2.94*10⁻⁶≈2.88*10⁻⁷mg/m³答案：污染物浓度为2.88×10⁻⁷mg/m³。2.解析思路：应用箱式模型的质量守恒原理。箱内浓度变化率=(进入速率-离开速率)。离开速率包括沉降/反应和扩散输出。由于题目未明确扩散输出，通常简化为只考虑沉降/反应。计算时注意单位一致和时间区间。计算过程：ΔC=(Q*Δt-R*V*Δt)/VC_final=C_initial+ΔCC_final=0.01+(0.002*1-0.001*1000*1)/1000C_final=0.01+(0.002-1)/1C_final=0.01-0.998C_final=-0.988mg/m³注意：结果为负值，这在物理上可能不合理，暗示模型假设（如沉降/反应速率恒定或模型过于简化）与实际情况可能存在偏差，或输入参数设置不当。但在纯粹的计算题中，按给定公式计算是首要任务。答案：1小时后箱体内污染物的浓度为-0.988mg/m³。五、论述题解析思路：需要全面论述模型的应用价值（解决什么问题、带来什么好处）和面临的挑战（局限性、困难）。应用价值方面可从环境污染评估、预警、规划、应急管理等方面展开。挑战方面可从模型假设与现实的差距、参数不确定性、计算复杂性、数据依赖、验证困难等角度阐述。论述应逻辑清晰，论点明确，结合大气扩散模型的特点进行分析。答案要点：应用价值：*环境污染评估：能够定量评估污染源对环境的影响范围和程度，为制定环境质量标准提供依据。*污染预警与应急响应：可用于预测重污染天气下污染物的迁移扩散路径和浓度变化，为发布预警、采取应急控制措施（如应急停产、限行）提供科学支持。*城市与区域规划：在城市通风廊道设计、工业园区选址、交通枢纽布局、环境影响评价等规划中，可模拟污染物扩散，优化空间布局，改善环境质量。*环境管理与决策支持：为制定大气污染防治政策、控制排放总量、实施排污许可制度等提供决策依据。*科学研究：模型是研究大气污染物迁移转化规律、验证大气边界层理论、开发新技术的有力工具。主要挑战：*模型假设的局限性：现实大气边界层非常复杂，而简化模型（如高斯模型）基于许多假设（如点源、连续排放、均匀混合、无沉降等），难以完全反映实际情况。*参数不确定性与依赖性：模型效果高度依赖于排放参数（源强、高度）、气象参数（风速、风向、稳定度、扩散参数）和地形参数。这些参数往往难以精确获取，存在较大不确定性。