2025年大学《大气科学》专业题库- 气象预警系统的建设与优化

2025年大学《大气科学》专业题库——气象预警系统的建设与优化考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.气象预警信号2.集合天气预报3.气象灾害预警临界阈值4.多普勒天气雷达5.气象预警信息传播覆盖率二、简答题（每题5分，共30分）1.简述中国气象灾害预警信号的种类及其含义。2.气象预警系统建设应遵循哪些基本原则？3.列举三种常用的气象监测技术及其在预警中的应用。4.简述气象预警信息发布的主要渠道及其特点。5.影响气象预警准确率的主要因素有哪些？6.什么是气象预警系统的优化？其核心目标是什么？三、论述题（每题10分，共40分）1.论述数值天气预报模型在气象预警系统中的作用及其局限性。2.结合一个具体的气象灾害类型（如台风、强对流天气），分析从数据采集到预警发布的整个业务流程。3.如何评估一个气象预警系统的性能？请列举至少三个关键评估指标并进行简要说明。4.阐述大数据和人工智能技术如何在气象预警系统的建设和优化中得到应用，并分析其带来的潜在优势。试卷答案一、名词解释1.气象预警信号：指根据气象灾害可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势，依据相关标准发布的预警信息。它通过明确的图标和颜色（如蓝、黄、橙、红）来提示不同级别的预警，旨在引导公众采取相应的防范措施，最大程度减轻灾害损失。**解析思路：*考察对预警信号基本概念的掌握，需回答其定义、目的和特征（分级、颜色/图标）。2.集合天气预报：指利用数值天气预报模型，考虑初始条件或模型物理参数的不确定性，进行多次（通常超过10次）独立模拟运行，产生一系列可能性的天气场预报集合。通过分析这些集合成员的统计特征（如概率分布），提供预报量不确定性的信息，特别适用于发布短临预警。**解析思路：*考察对集合预报核心概念的理解，需说明其定义、运行方式（多次独立运行）及其主要应用价值（提供不确定性信息）。3.气象灾害预警临界阈值：指为发布特定气象灾害预警而设定的关键气象要素（如风速、降雨量、温度等）的数值标准。当监测到的实况或预报数值达到或超过该阈值时，即满足发布相应级别预警的条件。**解析思路：*考察对预警阈值定义的掌握，需说明其概念、作用（发布预警的依据）以及与预警信号的关系（达到阈值则发布）。4.多普勒天气雷达：一种通过发射电磁波并接收目标（如降水粒子、气流）反射回来的回波信号，利用多普勒效应测量回波信号的多普勒频移，从而获取降水强度、速度、方向、粒子相态等信息的气象探测设备。它是短临预警（尤其是强对流天气）的重要技术手段。**解析思路：*考察对多普勒雷达基本原理和功能的理解，需说明其定义、核心原理（多普勒效应）、主要探测内容及其在预警中的应用。5.气象预警信息传播覆盖率：指发布出去的气象预警信息能够有效触达目标人群（如特定区域居民）的比例或范围。它是衡量预警系统社会效益的重要指标，反映了预警信息传播的广度和有效性。**解析思路：*考察对预警信息传播效果评估指标的理解，需说明其定义、衡量的是什么（信息触达范围/人群比例）以及为何重要（反映社会效益）。二、简答题1.中国气象灾害预警信号的种类及其含义主要包括：*台风预警信号：分为台风蓝色、黄色、橙色、红色和黑色五个等级，依次表示影响程度增强。*暴雨预警信号：分为暴雨蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示降雨强度和范围。*雷电预警信号：分为雷电蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示雷电活动强度。*冰雹预警信号：分为冰雹蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示冰雹发生和强度。*大风预警信号：分为大风蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示风力等级。*高温预警信号：分为高温蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示气温强度。*干旱预警信号：分为干旱蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示干旱发展程度。*大雾预警信号：分为大雾黄色、橙色、红色三个等级，表示能见度水平。*霾预警信号：分为霾黄色、橙色、红色三个等级，表示空气污染程度和能见度影响。*寒潮预警信号：分为寒潮蓝色、黄色、橙色、红色四个等级，表示气温骤降和影响范围。**解析思路：*考察对常见气象灾害预警信号分类和等级含义的熟悉程度，需要准确列出主要灾害类型及其对应的预警级别和基本含义。2.气象预警系统建设应遵循的基本原则包括：*需求导向原则：系统建设必须以满足气象灾害预警预报的实战需求为出发点，针对不同区域、不同灾害类型的特点进行定制化设计。*先进性与实用性相结合原则：选用成熟可靠的先进技术，同时确保系统操作便捷、维护方便，能够融入现有业务流程。*标准化与规范化原则：遵循国家和行业相关标准规范，确保数据格式、接口、流程等的一致性，便于系统集成的互联互通。*可靠性与稳定性原则：系统必须具备高可靠性和稳定性，确保在关键时刻能够连续、稳定运行，保障预警信息及时准确发布。*开放性与可扩展性原则：系统架构应具有开放性，便于接入新的监测数据源和预报模型；具备良好的可扩展性，以适应未来业务发展和技术更新的需要。*资源优化配置原则：合理规划和配置硬件、软件、人才等资源，提高资源利用效率，实现成本效益最大化。**解析思路：*考察对气象预警系统建设应遵循的核心原则的理解，需要列举并简要说明几个关键原则。3.常用的气象监测技术及其在预警中的应用包括：*多普勒天气雷达：用于探测降水分布、强度、速度、垂直结构等，是监测强对流天气（雷暴、冰雹）、台风、暴雨落区等的重要工具，提供短临预警依据。*气象卫星：提供大范围、持续性的云图、温湿度场、风场等信息，用于监测天气系统的生成、发展和移动，是台风、大范围暴雨、寒潮等天气预警的重要支撑。*自动气象站（地面观测网络）：分布在地面，实时观测气温、气压、降水、风向风速、相对湿度等要素，提供精细化、高密度的实况场资料，用于短时预报和临近预警。*探空（天气气球）：垂直探测大气温度、湿度、气压、风向风速随高度的变化，提供大气垂直结构信息，对短波急流、强对流发展等有重要指示意义。*气象雷达风场遥感：利用雷达信号的多普勒效应反演风场信息，用于分析中尺度天气系统（如涡旋、气旋）的位置和强度变化，提供短临预警信息。**解析思路：*考察对多种主要气象监测技术的了解，并能说明其在预警业务中的具体应用场景和作用。4.气象预警信息发布的主要渠道及其特点包括：*广播系统：通过无线电广播、电视新闻播报发布预警信息。覆盖面广，能触达包括老年人、儿童等在内的各类人群，但时效性相对较慢，互动性差。*手机短信（彩信）：通过移动通信网络向目标用户群发送预警短信。具有精准触达、时效性强的特点，但可能受运营商限制，且信息量有限。*网络平台：通过中国气象局官网、官方APP（如“中国天气通”）、社交媒体（微博、微信）、本地气象网站等发布。信息丰富，更新快，互动性强，便于用户查询和分享，但依赖用户主动访问。*预警广播喇叭/专用广播系统：在社区、学校、医院、交通枢纽等场所安装的专用设备。针对性强，能在特定区域实现快速、广泛覆盖，尤其适用于通知行动不便人群。*社交媒体与应急平台：通过微博、微信等社交媒体矩阵快速传播，或接入政府应急响应平台。传播速度快，影响力大，但信息真伪需辨别。*电话/传真：针对特定重要用户（如防汛、交通、电力部门）发送正式预警信息。信息权威性强，但覆盖面窄。**解析思路：*考察对气象预警信息多样化发布渠道的了解，需要列举主要渠道并分析其各自的特点（覆盖范围、时效性、互动性、适用对象等）。5.影响气象预警准确率的主要因素包括：*监测资料的质量与时空分辨率：资料精度低、时空不足会导致对天气系统刻画不清，影响预报初始场的质量，进而降低准确率。*数值天气预报模型的性能：模式对物理过程的描述能力、分辨率、集合预报的可靠性等直接影响预报结果的可信度和准确率。*预警方法与技术的水平：使用的统计模型、机器学习算法、物理判据等的合理性和先进性。*大气过程的复杂性：某些天气现象（如短时强降水、冰雹、雷暴）发生发展迅速、机制复杂，预报难度大，准确率相对较低。*预警发布时效：从监测到发布、再到用户接收并采取行动需要一定时间，过长的时滞会降低预警的实际效用，虽然不直接降低“预报准确率”，但影响预警效果。*地理环境与下垫面影响：山区、城市等地形和下垫面复杂，会加剧局地天气变化，增加预报难度。**解析思路：*考察对影响预警准确率的综合因素的分析能力，需要从数据、模型、方法、天气现象本身、流程等多个维度进行阐述。6.气象预警系统的优化是指通过改进系统各个环节（监测、预报、传输、发布、服务）的技术、流程和管理，提升系统整体性能和效益的过程。其核心目标是：*提高预警的准确率和提前量：更精准地预报灾害的发生、发展和强度，给予公众更长的预警时间。*增强预警的及时性和覆盖面：确保预警信息在第一时间发布，并覆盖到所有可能受影响的人群。*提升预警信息的针对性和有效性：根据不同区域、不同人群的需求，发布更具针对性的预警信息，并提高公众对预警的知晓率和行动力。*提高系统的可靠性和稳定性：确保系统在极端天气或突发事件下仍能稳定运行。*增强系统的智能化水平：利用大数据、人工智能等技术，实现更智能的灾害识别、预报预警和风险评估。*优化用户服务体验：提供更便捷、多样的预警接收方式和更具指导性的防灾避险建议。**解析思路：*考察对“优化”概念的理解，需要说明优化的定义，并重点阐述优化的核心目标（围绕准确、及时、有效、可靠、智能等方面展开）。三、论述题1.数值天气预报模型在气象预警系统中的作用及其局限性：*作用：*提供大范围、高精度的气象要素（温度、湿度、风、气压、降水等）预报场，是气象预警预报的基础。通过分析预报场的变化趋势，可以识别潜在灾害性天气系统的生成、发展和移动。*支持集合预报，提供预报的不确定性信息，有助于评估灾害发生的概率，发布更具科学依据的预警。*可输出精细到区域的预报产品（如网格点数据），为区域性、精细化预警提供支持。*能够预报某些气象要素的垂直分布，对需要考虑垂直结构影响的灾害（如强对流、大气边界层现象）有重要价值。*是进行灾害影响评估和应急响应决策的重要信息来源。*局限性：*初始场误差累积：大气系统对初始条件的敏感性强（蝴蝶效应），初始场的不确定性会随着时间推移呈指数级增长，导致预报误差越来越大，尤其对于短时预报（小时级、天际级）精度有限。*模式分辨率限制：现有数值模型的时间步长和空间分辨率仍有局限，难以完全捕捉小尺度、局地性的灾害性天气过程（如小冰雹、短时雷暴核心）。*物理过程参数化方案偏差：模式中对于一些复杂的大气物理过程（如云微物理过程、辐射过程、边界层过程）采用简化的参数化方案，存在系统偏差，影响预报准确性。*对极端事件预报能力不足：对于罕见或极端强度的天气事件，数值模型的预报能力通常较弱。*计算资源需求巨大：高分辨率、长时间段的预报需要强大的计算能力支持，可能限制预报时效或可用分辨率。**解析思路：*需全面论述数值天气预报模型在预警系统中的重要作用（提供基础预报场、支持集合预报、提供精细化产品等），同时也要客观分析其存在的局限性（初值误差、分辨率、参数化、极端事件能力、计算资源等），体现辩证思维。2.结合一个具体的气象灾害类型（如台风），分析从数据采集到预警发布的整个业务流程：*数据采集：利用气象卫星（提供台风位置、强度、云图结构、环境场信息）、多普勒天气雷达（探测台风内部风场、降水分布、地形影响）、地面自动气象站（提供近地实况风、压、温、湿、雨）、探空（提供高空风温湿结构）、海温卫星/浮标（监测台风发展所需的热力条件）、数值模式（提供背景场和预报信息）等，多源、连续地采集台风及其环境大气的各种观测资料。*数据处理与整合：对采集到的多源、多尺度数据进行质量控制、格式转换、时空插值、资料融合，形成统一的、高精度的实况分析场。*灾害性天气识别与预报：气象预报员或智能系统分析实况场和模式预报场，结合台风路径模型、强度变化模型、灾害风险评估模型等，识别台风可能带来的风雨、风暴潮、地质灾害等风险，并制作相应灾害的预警预报产品（如路径、强度、风雨量等）。*预警级别确定与发布决策：根据监测到的台风实况（如中心位置、中心强度、移动速度、影响区域）和预报信息（如未来路径、强度变化、可能影响范围和强度），结合预警信号发布标准，由预报员或预警决策系统确定发布相应级别（蓝、黄、橙、红）的台风预警信号。*预警信息制作与发布：制作包含预警级别、影响区域、主要危害、防范措施、发布机关和时间的规范预警信息文本和图形产品。通过广播、电视、手机短信、网络平台、预警广播喇叭等多种渠道，及时、广泛地将预警信息发布给公众和相关部门。*跟踪监测与滚动更新：持续监测台风动态和实况变化，根据新的监测信息和预报结果，滚动更新台风路径、强度和影响预报，及时调整预警级别或发布新的预警信息。*预警服务与响应：各级气象部门与应急管理、水利、交通、农业、电力等相关部门联动，提供精细化预警信息，协助指导防灾避险工作。公众和相关部门根据预警信息采取相应的防范措施。**解析思路：*选择一个具体灾害类型（如台风），按照数据采集、处理、识别预报、决策发布、跟踪更新、服务的逻辑顺序，详细描述从监测到最终发布整个闭环的业务流程，体现各环节的衔接和相互作用。3.如何评估一个气象预警系统的性能？请列举至少三个关键评估指标并进行简要说明：*预警准确率（或空报率、漏报率）：指发布的预警中，实际发生了相应灾害性天气的比例（准确率），或者未发生灾害性天气时发布预警的比例（空报率），以及实际发生灾害时未发布预警的比例（漏报率）。这是衡量预警系统预报能力最核心的指标。通常需要结合预警提前量一起评估，即计算提前N小时（如1小时、6小时）的准确率。**说明：*准确率反映预警的“真确性”，高准确率意味着预警的可信度高。空报和漏报是相互制约的，降低一个往往可能增加另一个，需要在实践中寻求平衡。*预警提前量：指预警信号发布时间与灾害实际发生（或影响）时间之间的时间差。提前量是衡量预警系统“及时性”和“有效性”的关键指标，直接关系到公众是否有足够时间采取防范措施。可以统计平均提前量、不同预警级别下的提前量分布等。**说明：*提前量长意味着预警更有用，但并非越长越好，过长的提前量可能因信息衰减或预报不确定性增大而降低时效性。不同灾害类型对提前量的要求不同。*预警信息传播覆盖率与到达率：指发布出去的预警信息触达目标人群（如特定行政区域居民、特定行业用户）的比例。覆盖率反映预警发布的广度，到达率则更关注信息实际被用户接收的程度。这需要结合预警发布渠道的覆盖能力和用户接收习惯来评估。**说明：*高覆盖率和高到达率是确保预警“有效触达”用户的前提。评估方法可能包括抽样调查用户知晓率、统计各渠道信息发布量、结合用户反馈等。*（可选补充）预警系统响应效率：指从监测到发布预警的平均时间。响应效率高的系统能更快地对外部环境变化做出反应，提高预警的时效性。**说明：*评估系统内部各环节（监测分析、预报决策、信息制作、渠道发布）的协同工作效率。**解析思路：*需要阐述评估预警系统性能的重要性，列举至少三个关键、常用的评估指标（准确率/空报/漏报、提前量、覆盖率/到达率），并对每个指标的定义、衡量方式及其反映的系统性能方面进行简要说明。可选补充指标增加全面性。4.阐述大数据和人工智能技术如何在气象预警系统的建设和优化中得到应用，并分析其带来的潜在优势：*大数据技术的应用：*海量数据融合处理：整合来自气象卫星、雷达、自动站、遥感、社交媒体、物联网设备等来源的海量、多源、多尺度数据，进行清洗、融合、分析，提供更全面、精细的实况背景和大气信息。*气象现象识别与预测：利用大数据分析技术（如关联规则挖掘、聚类分析）识别历史数据中隐藏的灾害性天气模式和发展规律。*影响评估与风险评估：结合地理信息、人口分布、社会经济数据等，利用大数据技术进行精细化灾害影响和风险评估，为预警发布和应急决策提供依据。*用户行为分析：分析用户对预警信息的接收、传播、反馈行为数据，优化预警发布策略和渠