2025年大学《大气科学》专业题库- 大气对流与降水模式分析

2025年大学《大气科学》专业题库——大气对流与降水模式分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.下列哪种情况最容易导致大气处于绝热不稳定状态？A.环境气温垂直递减率小于干绝热递减率B.环境气温垂直递减率大于湿绝热递减率C.环境气温垂直递减率介于干绝热递减率和湿绝热递减率之间D.地表温度低于周围高空温度2.在典型的积雨云中，冰晶和过冷水滴主要通过对流性碰并过程增长，该过程发生在云的什么区域？A.云的顶部，温度低于0℃B.云的中部，温度接近0℃C.云的底部，温度高于0℃D.整个云体，主要靠上升气流输送3.下列哪个参数是衡量大气对流潜力的关键指标，表示释放不稳定能量的最大可能值？A.对流抑制能量(CIN)B.涡度C.对流有效位能(CAPE)D.位能差4.导致大气发生绝热抬升的物理过程不包括：A.地形抬升B.锋面过境C.气流辐合D.地表辐射冷却5.在中尺度气象学中，描述对流风暴垂直结构特征的准静态旋转气流是：A.惯性重力波B.涡度矢量C.螺旋度D.龙卷风眼壁6.以下哪种降水类型主要通过对流性上升气流中的惯性碰并过程形成？A.冰雹B.霰C.阵性降水中的大雨滴D.持续性小雨7.数值天气预报模式中，计算大气动力和热力变化的核心方程组是：A.绝热方程组B.热力学方程组C.原型方程组(PrimitiveEquations)D.云微物理方程组8.某地测得近地层风速切变较大，这通常有利于：A.对流抑制能量的积累B.对流风暴的垂直发展C.对流风暴的水平移动D.大气稳定性的增强9.在模式模拟中，"K指数"(K-Index)主要用于：A.预报地面温度B.评估大尺度不稳定能量C.判别发生强对流天气的可能性D.参数化云的辐射特性10.下列哪种气象要素场的空间分布最常被用来直接识别大尺度抬升系统？A.水汽比湿B.温度C.涡度D.风场二、填空题1.大气不稳定能量以__________的形式储存在不稳定层结中，一旦有触发机制，这种能量就会释放，驱动对流发展。2.产生于暖云中的降水粒子增长过程，主要是过冷水滴与冰晶碰撞后的__________过程。3.当环境气流具有足够大的垂直风切变时，发展中的对流系统可能组织成__________结构。4.冷云降水过程中，冰晶通过在过冷水滴上__________过程增长，形成霰。5.数值模式中，对云中微物理过程（如蒸发、凝结、碰并等）进行简化和参数化描述的部分称为__________方案。6.衡量大气静力稳定性的物理量是__________。7.利用探空资料计算出的，代表环境空气从地表干绝热上升至饱和高度所具有的潜在能量，称为__________。8.大气中水汽凝结或冻结形成的，云底高度低于0℃的云称为__________云。9.某次强对流天气过程中，雷达探测到具有钩状回波的强回波区，这通常指示了__________的存在。10.模式预报准确性的一个重要指标是__________，它表示预报值与实况值之间的平均偏差。三、名词解释1.大气对流不稳定2.抬升凝结高度(LCL)3.超级单体对流4.雨滴惯性碰并5.模式参数化四、简答题1.简述大气发生对流的条件。2.比较暖云降水和冷云降水的形成机制的主要区别。3.解释什么是CAPE和CIN，以及它们如何共同决定对流发展的可能性。4.简述影响对流降水强度的主要因素。五、论述题1.试述地形因素在触发和影响对流发展过程中的作用。2.结合对流活动的物理过程，论述数值天气预报模式在预报强对流天气时面临的主要挑战及其可能的改进方向。试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.D5.C6.C7.C8.B9.C10.D二、填空题1.对流有效位能(CAPE)2.碰并3.螺旋度(或螺旋结构)4.霰化(或冰晶碰并过冷水滴)5.云微物理(或微物理)6.位温(或静力稳定度)7.位能差(或大气位能)8.冷云(或降水)9.超级单体(或超级细胞)10.偏差(或Bias)三、名词解释1.大气对流不稳定：指大气处于一种状态，其中空气块被抬升后，即使没有外力作用，也能依靠自身浮力继续上升，同时其绝热冷却的速率快于周围环境空气的冷却速率，导致空气块始终比周围环境更轻，这种不稳定状态是产生对流性天气（如雷暴）的必要热力条件。2.抬升凝结高度(LCL)：指地表温度和近地层湿度条件下的空气块，在仅受到干绝热冷却的情况下，垂直抬升到其露点温度达到环境温度的等压面时的海拔高度。它是干绝热抬升过程的起点。3.超级单体对流：指一种组织得最强烈、结构最复杂的对流系统，通常具有深厚的垂直发展、旋转的气流核心（称为风暴眼）、以及明确的钩状回波（钩云）结构，常与强烈的阵风、冰雹、龙卷风等灾害性天气相伴生。4.雨滴惯性碰并：指在暖云中，过冷水滴在上升气流带动下，由于惯性效应，未能完全跟随气流轨迹，而是“落后”于其下方的暖云滴，最终与之碰撞并合，增长为更大的雨滴的过程。5.模式参数化：指在数值天气预报或气候模式中，由于计算网格尺度远大于大气中许多重要的物理过程（如云、降水、辐射、湍流、地表过程等）的微小尺度，无法在模式中直接求解这些微观过程，而需要使用简化的数学公式或统计关系来描述其宏观平均效应的过程。四、简答题1.大气发生对流的条件：*热力条件（不稳定）：环境大气层结必须处于绝热不稳定状态，即空气块被抬升后，其绝热冷却的速率快于（或至少等于）周围环境空气的冷却速率，导致抬升的空气块始终比周围环境轻，具有正浮力。*动力条件（抬升机制）：必须存在某种机制能够将空气块从近地面抬升至触发高度（通常高于LCL）。常见的抬升机制包括：地形抬升、锋面过境、气流辐合（产生垂直速度）、大气波动（如重力波）、地表加热不均等。*水汽条件：抬升空气到达或超过其抬升凝结高度（LCL）后，必须达到饱和状态，以便水汽凝结（或冻结）形成云，提供进一步发展的“燃料”（水滴或冰晶）。2.比较暖云降水和冷云降水的形成机制的主要区别：*云的温度：暖云降水发生在温度高于0℃的云中，主要成分是过冷水滴；冷云降水发生在温度低于0℃的云中，包含过冷水滴、冰晶、霰、冰雹等多种粒子。*核心过程：暖云降水主要依赖过冷水滴通过惯性碰并过程增长；冷云降水机制更为复杂，涉及冰晶与过冷水滴的冰水碰撞增长过程（如冰晶碰并过冷水滴的淞附/霰化过程，过冷水滴碰并冰晶的淞附过程），以及霰的碰并过程。降水粒子可以由冰晶增长而来，也可以由过冷水滴增长而来。*主要降水物：暖云主要产生雨滴；冷云可以产生雪、冰雹（由霰或冰晶增长破碎而成）以及冻结的雨滴（雨夹雪、冰粒）。3.解释什么是CAPE和CIN，以及它们如何共同决定对流发展的可能性：*CAPE(对流有效位能-ConvectiveAvailablePotentialEnergy)：指在给定的大气层结中，从地面或某个不稳定层向上积分，空气块因绝热膨胀而增加的位能，再扣除其通过不稳定层结（CAPE区域）时因克服环境空气阻力（即摩擦力，常以“K”参数或地面粗糙度效应体现）所损失的能量。它代表了大气中可用来驱动对流发展的“潜在能量”或“自由能”。CAPE值越大，表明对流发展的潜力越大。*CIN(对流抑制能量-ConvectiveInhibitionEnergy)：指在从不稳定层结的底部（或环境温度首次低于干绝热递减率的高度）向上积分到自由对流层（LFC）底部时，空气块因绝热膨胀而增加的位能，再扣除其克服环境空气阻力所损失的能量。CIN代表了阻止或抑制对流初始发展的“阻力”。CIN值越大，表示需要克服的初始抬升阻力越大。*共同决定作用：对流的发展需要克服初始的抬升阻力（CIN），并获得足够的能量来维持和发展（CAPE）。因此，大气中总的对流可用能量（ConvectiveAvailableEnergy,CAE）是CAPE与CIN之和（CAE=CAPE+CIN）。只有当CAE为正（即CAPE>CIN），并且存在有效的抬升机制将空气块抬升至LFC时，对流才可能发展。CIN的大小和位置直接影响了对流是否容易触发以及发展的强度。4.简述影响对流降水强度的主要因素：*对流可用能量(CAPE)：CAPE值越大，表示大气中可用于驱动上升气流和降水增长的能量越多，通常导致更强的对流和更大的降水强度。*垂直风切变：垂直风切变（特别是水平风切变随高度的变化）的大小影响对流系统的组织和维持。较小的风切变有利于对流单体垂直发展，可能导致短时强降水；适度的风切变有助于形成维持时间更长的对流系统（如MCC），带来持续性强降水；过大的风切变则可能抑制对流发展或导致其倾斜破碎。*水汽含量和可利用性：云中可用的水汽总量以及水汽在云中的分布影响降水的总量和增长速率。水汽条件充沛且分布有利于碰并过程时，降水强度会更大。*抬升机制强度和持续性：提供抬升的机制（如辐合带强度、地形坡度等）的强弱和持续时间直接影响上升气流的强度和持续时间，进而影响降水的强度和持续时间。*云的微物理过程：云微物理参数化方案的选择和参数设定直接影响粒子增长效率。例如，更倾向于霰增长的方案可能产生更强的降水。*初始条件：天气系统的初始状态，如暖层厚度、湿度层结等，也会影响对流降水的强度。五、论述题1.试述地形因素在触发和影响对流发展过程中的作用：地形是影响局地对流发展和降水分布的重要因素，其作用主要体现在以下几个方面：*触发机制：地形抬升是触发对流最直接和常见的机制之一。当暖湿气流遇到山地等高地时，被迫垂直抬升。如果抬升空气达到或超过不稳定条件所需的触发高度（如LCL以上），并且环境层结具有不稳定能量，就极易触发对流发展。例如，沿山脉坡麓的辐合气流也会导致抬升。*加热差异：不同坡向（阳坡与阴坡）、不同地形高度（迎风坡与背风坡）受到的太阳辐射和热量收支差异，会导致局地温度和湿度场的不均匀，从而产生局地对流活动。例如，夏季迎风坡的陡峭山地由于强烈受热，常常触发强烈的对流天气。*抬升效率与路径：地形的形状、坡度、走向不仅决定抬升的触发位置，也影响抬升的效率和空气抬升的路径。陡峭、连续的地形（如高大山脉）能更有效地强迫气流抬升，可能导致更强的对流发展和更深的对流系统。地形缺口或通道可能引导气流辐合，也有利于对流的触发。*影响对流组织：地形可以影响气流的辐合辐散结构，进而影响对流系统的组织形式。例如，在盆地或谷地中，地形可能抑制辐合，但也可能聚集暖湿空气，在特定条件下触发对流。地形也可能引导不同对流单体合并或分裂。*降水分布：地形对降水分布有显著的“雨影效应”。在山脉迎风坡，气流被迫抬升，水汽凝结，容易产生丰富的降水（地形性降水甚至对流性降水）。而在背风坡，气流下沉，气温升高，水汽蒸发，往往形成雨影区，降水稀少。地形也影响降水随高度的变化，例如地形抬升形成的地形雨通常在山腰达到最大。2.结合对流活动的物理过程，论述数值天气预报模式在预报强对流天气时面临的主要挑战及其可能的改进方向。数值天气预报模式在预报强对流天气时面临诸多挑战，这主要源于强对流过程的复杂性、小尺度特征以及多尺度相互作用。这些挑战与对流活动的物理过程紧密相关：*挑战：*小尺度过程难以分辨：强对流系统（如超级单体）的尺度很小（几公里到几十公里），而数值模式的空间分辨率受计算资源和物理定律限制，往往无法直接捕捉到对流系统的精细结构，特别是其内部的旋转气流、强上升气流核心等关键特征。这导致模式对初始条件的敏感性极高，微小的初始扰动可能在模式中引发或抑制对流的发生、发展和强度，使得预报极其困难（蝴蝶效应）。*物理过程参数化困难：对流活动的核心物理过程，如云微物理（特别是冰相过程、过冷水滴与冰晶的相互作用）、湍流混合（边界层和风暴内部）、降水粒子与气流的相互作用、重力波拖曳等，在模式中都需要使用参数化方案来描述。这些参数化方案往往基于简化的理论和统计关系，难以完全准确地反映复杂的微观物理过程，特别是对于极端强对流事件，参数化的不确定性会显著影响模式预报结果。例如，对冰晶增长和霰的碰并效率的参数化误差，直接关系到冰雹和强降水预报的准确性。*多尺度相互作用复杂：强对流的发生发展并非孤立现象，它与中尺度系统（如锋面、涡旋）、大尺度环流背景（如高压脊、低压槽）以及局地地形环境相互作用。模式需要同时准确地模拟能量和水汽从大尺度向中尺度、再到小尺度对流系统的传输，以及小尺度对流系统对中尺度背景场（尤其是风场）的反作用（如暖湿强迫、局地辐合辐散调整）。这种多尺度反馈过程的模拟非常复杂，容易导致模式模拟偏差。*对初始条件精度要求极高：由于对流活动对初始条件极为敏感，模式初始场中微小的误差（如温度、湿度、风场的扰动）都可能被放大，导致预报结果与实况产生巨大差异。获取高精度、高分辨率的初始场（如利用多普勒雷达、卫星、探空等数据同化）是提高强对流预报技巧的关键，但这本身也面临技术和数据处理上的挑战。*可能的改进方向：