2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 地球近空层大气研究与监测技术

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——地球近空层大气研究与监测技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.地球近空层通常指哪里？A.平流层B.对流层顶部至平流层低层C.整个对流层D.整个平流层2.以下哪种气体成分的浓度变化是大气臭氧层破坏的主要标志？A.氮气B.氧气C.氯氟烃（CFCs）D.二氧化碳3.卫星遥感大气探测中，利用大气对特定波长电磁波的吸收特性来反演大气参数，这种方法主要基于什么物理原理？A.光的干涉B.光的衍射C.光的吸收与散射D.相似性原理4.气象雷达探测大气的主要工作波段是？A.可见光波段B.红外波段C.微波波段D.X射线波段5.高空气球主要用于获取哪个高度层的大气数据？A.对流层低层B.平流层C.近地空间D.整个大气层6.下列哪项技术主要利用激光与大气分子相互作用产生的散射信号来探测大气参数？A.微波辐射计B.晶体管温度计C.激光雷达D.红外分光计7.地面自动气象站网络在近空层大气监测中的作用主要是？A.提供高空探测数据B.获取近地面气象要素C.发射遥感信号D.进行大气化学分析8.近空层大气环流对污染物扩散的主要影响是？A.加速污染物向低纬度扩散B.导致污染物在局部区域累积C.减少垂直方向扩散D.没有明显影响9.空间天气事件对近空层大气监测的主要影响包括？A.干扰卫星通信B.降低遥感信号质量C.改变大气电离层结构D.以上都是10.评价一种大气监测技术时，以下哪个指标不是主要考虑因素？A.空间分辨率B.时间分辨率C.数据精度D.成本效益二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.卫星大气遥感中，常用的反演算法有______和______两种主要类型。2.大气气溶胶对近空层大气的辐射forcing主要通过______、______和______等过程实现。3.激光雷达利用______效应来探测大气中的水汽、气溶胶等成分。4.近空层大气环境问题主要包括______、______和气候变化等。5.卫星上的微波辐射计主要通过测量大气______辐射来反演大气温度廓线。三、简答题（每题5分，共20分。请简明扼要地回答下列问题）1.简述近空层大气与平流层大气的主要区别。2.比较气象雷达和激光雷达在探测原理和应用上的主要异同点。3.简述卫星遥感大气探测中，大气辐射传输模型的基本作用。4.列举三种常用的近空层大气监测技术，并说明其基本原理。四、论述题（每题10分，共30分。请结合所学知识，全面、深入地回答下列问题）1.论述卫星遥感技术在近空层大气研究中的优势及其面临的主要挑战。2.结合具体实例，论述近空层大气监测数据在环境监测和气象预报中的应用价值。3.分析当前近空层大气监测技术发展面临的主要瓶颈，并提出可能的解决方案或未来发展方向。---试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.C5.B6.C7.B8.B9.D10.A二、填空题1.间接反演，直接反演2.吸收，散射，发射3.激光散射4.空气污染，臭氧层损耗5.特征（或：上行）三、简答题1.答：近空层（通常指对流层顶部至平流层低层，约10-100km）与平流层（通常指海拔约12km以上）的主要区别在于：近空层包含了对流层顶，该处存在强烈的温度跃变；近空层大气受到地球表面摩擦力的影响更为显著，存在显著的垂直混合；近空层大气成分在垂直方向上变化较大，特别是水汽和气溶胶的含量随高度迅速减少；近空层是许多重要的天气现象和大气化学过程（如臭氧生成与损耗）发生的关键区域。2.答：相同点：都是主动遥感手段，即主动向大气发射探测信号并接收回波来获取信息；都能获取大气垂直廓线信息；都可用于探测大气某些参数（如成分、廓线、速度等）。不同点：探测原理不同，气象雷达主要利用微波的散射原理，而激光雷达利用激光的散射（特别是拉曼散射、瑞利散射等）原理；工作波段不同，气象雷达通常使用厘米或分米波，激光雷达使用紫外、可见光或近红外激光；探测能力和精度不同，激光雷达通常具有更高的探测灵敏度和分辨率，尤其对气溶胶和某些痕量气体探测效果好，但受大气能见度和天气影响较大；气象雷达穿透能力强，适用于更广泛的天气条件，但精度相对较低。3.答：大气辐射传输模型的基本作用是模拟和计算电磁波（通常是太阳辐射或卫星发射的辐射）在大气中传播时，由于吸收、散射、发射以及大气组分相互作用所引起的能量变化和方向偏折过程。该模型能够计算大气各层和地表在不同波长下的辐射亮度、透过率、反照率等参数，是卫星遥感大气参数（如温度、水汽、气压、气溶胶光学厚度、云参数等）进行定量化反演的基础和核心工具。没有这个模型，就无法从卫星观测到的原始辐射数据中准确地分离和反演出发射源（大气本身或云）的信息。4.答：三种常用的近空层大气监测技术及其原理如下：*卫星遥感：利用卫星上搭载的传感器（如辐射计、散射计、激光雷达等）接收来自大气或向大气发射并反射的电磁波信号，通过大气辐射传输模型处理这些信号，反演近空层大气的温度、湿度、气压、成分（如臭氧、二氧化氮）、气溶胶、云参数等分布信息。*气象雷达：向大气发射微波脉冲，通过接收目标回波信号（如云滴、雨滴、冰晶的散射回波）的强度、相位、多普勒频移等信息，来探测近空层大气的风场、液态/固态水含量、云状结构等参数。*高空气球/探空气球：将携带各种探测仪器的探空仪（测气温、气压、湿度、风等）升至近空层不同高度，通过地面接收站或无线遥测方式实时获取该高度点的详细大气垂直廓线数据。四、论述题1.答：卫星遥感技术在近空层大气研究中的优势：*广阔的观测视野和覆盖范围：可同时观测全球或大范围区域，获取连续的时空序列数据，适合研究大尺度大气过程和长期变化趋势。*独特的探测能力：能够从空间高度获取难以通过地面手段获取的信息，如高空大气状态、平流层特性等。*多平台、多手段集成：不同类型的卫星（气象、环境、科研卫星）搭载多种传感器（辐射计、雷达、激光雷达、光谱仪等），提供多样化的探测手段和数据产品。*高时间分辨率：部分低轨卫星可实现多次过境同一区域，获取高频次数据，捕捉快速变化的大气现象。*成本效益：相对于地面观测网络，长期全球卫星观测的成本效益相对较高。面临的主要挑战：*数据定标与质量控制：卫星传感器和平台本身存在漂移，大气参数反演精度受多种因素影响，需要复杂的定标和严格的质控方法。*空间与时间分辨率限制：卫星遥感通常存在空间分辨率（像素大小）和时间分辨率（过境频率）上的限制，可能无法满足对局部小尺度或瞬时现象的精细观测需求。*大气干扰与信号衰减：云、气溶胶、水汽等大气成分会吸收、散射或衰减遥感信号，特别是对光学厚度较高的路径或特定波段的影响显著，给反演带来困难。*模型依赖性：大气参数反演高度依赖大气辐射传输模型，模型的准确性和复杂性直接影响反演结果的精度。*数据处理与分析复杂性：海量卫星数据的处理、存储、分发和应用需要强大的计算能力和专业分析技能。2.答：近空层大气监测数据在环境监测和气象预报中的应用价值体现在：*环境监测与污染预警：*空气质量监测：通过卫星遥感（如监测NO2、SO2、CO、O3、PM2.5等污染物浓度）和地面监测网络结合，可以大范围、高频率地监测近空层大气污染物浓度及其时空分布，识别污染热点区域，评估空气质量状况，为制定空气污染防控策略提供依据。例如，利用卫星数据可追踪工业排放或交通排放的污染物输送路径。*臭氧层监测：卫星是监测平流层臭氧总量、浓度分布及变化趋势的主要手段，对于评估臭氧层损耗/恢复状况、预警臭氧空洞等具有不可替代的作用。*气溶胶监测：监测沙尘暴、火山灰、工业粉尘等气溶胶的分布和传输，不仅关乎空气质量，也影响区域气候和能见度。*气象预报与服务：*天气预报：气象雷达和卫星（特别是Geostationarysatellites）提供近空层（尤其是低空至平流层低层）云图、风场、温度湿度廓线、降水估测等关键气象要素信息，是中短期天气预报（特别是强对流天气、锋面系统、台风等）的重要数据来源。*边界层气象研究：探测近地面至边界层顶（PBL）的温湿廓线、风速风向，对于理解和预报城市热岛效应、污染物扩散条件、农业气象条件等至关重要。*气候监测与气候变化研究：长期的近空层大气监测数据（如温度、水汽、臭氧等）是研究近几十年来气候变化趋势、识别人类活动影响的重要依据。综上，近空层大气监测数据是现代社会可持续发展不可或缺的基础信息，深刻影响着环境管理决策、防灾减灾能力以及日常生活的气象服务。3.答：当前近空层大气监测技术发展面临的主要瓶颈：*观测能力的时空分辨率矛盾：高空间分辨率（捕捉小尺度细节）往往牺牲时间分辨率，反之亦然。同时，卫星观测的高时空分辨率通常伴随着高昂成本，地面观测网络难以覆盖全球且成本也较高，难以满足所有应用场景对理想时空分辨率的追求。*探测精度与探测极限：对于某些痕量气体（如多种温室气体、污染物precursor）或精细的微物理过程（如云微物理参数、超细颗粒物），现有监测技术的灵敏度、精度和分辨率仍有待提高，接近物理探测极限。*复杂大气环境的适应性：云、气溶胶、高湿等复杂大气条件对遥感信号衰减和干扰严重，给提高观测可靠性和覆盖范围带来巨大挑战，尤其是在光学遥感方面。*多源数据融合与同化：如何有效融合卫星、雷达、气球、飞机、地面站等多种来源、不同特性、不同时空分辨率的观测数据，并高效地将其同化到数值天气预报模型或数据同化系统中，仍然是一个复杂的技术难题。*成本与可持续性：大型、先进的监测平台（如卫星、大型雷达）研发和运行成本高昂，维护和更新换代面临财政压力。发展低成本、高可靠性的新型监测技术和传感器是重要方向。可能的解决方案或未来发展方向：*多平台、多技术协同观测：发展星座式卫星（提高时空分辨率和覆盖），结合无人机、系留气球等灵活平台，构建立体化、多层次的观测网络。*发展新型传感器技术：研发更高灵敏度、更高分辨率、更强抗干扰能力的雷达（如相控阵雷达、合成孔径雷达）、激光雷达（如差分吸收激光雷达DIAL、光腔增强激光雷达OCL）、光谱仪（如高光谱、超光