2025年大学《大气科学》专业题库- 大气光学性质研究及应用展望

2025年大学《大气科学》专业题库——大气光学性质研究及应用展望考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.大气消光系数2.单次散射反照率3.米氏散射4.散射相函数5.大气反照率二、填空题（每空1分，共10分）1.大气辐射传输过程中，除了吸收和散射，主要的能量损失方式是______。2.影响气溶胶光学性质的主要因素包括其大小、形状、______和化学成分。3.与瑞利散射相比，米氏散射的光谱特性表现出______。4.卫星遥感反演大气光学参数常用的方法包括______和______两种主要途径。5.大气能见度降低主要是由于近地面大气中的______造成的。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述朗伯-比尔定律在大气光学中的适用条件和局限性。2.比较瑞利散射和米氏散射在散射强度和光谱特性上的主要区别。3.简述地基激光雷达在大气光学性质观测中的应用及其主要优势。4.阐述大气光学性质研究对于空气质量监测与预报的重要性。四、论述题（每题10分，共30分）1.详细说明大气辐射传输模型的基本原理，并列举其在研究大气光学性质时需要输入的关键参数。2.论述气溶胶对地球辐射平衡的影响机制，并分析不同类型气溶胶（如黑碳、沙尘、硫酸盐气溶胶）可能产生的不同效应。3.当前大气光学性质研究面临哪些主要的挑战？结合实例，谈谈你对未来该领域可能的发展方向和技术突破的展望。试卷答案一、名词解释1.大气消光系数：指光束通过单位路径长度时，由于吸收和散射造成的辐射总减弱程度的量度，是吸收系数和散射系数之和。解析思路：定义是核心，强调其包含吸收和散射，是总减弱指标。2.单次散射反照率：指入射到大气中的辐射，在只经历一次散射后向各方向散射出去的能量与总入射能量的比率。解析思路：抓住“一次散射”和“散射能量/总入射能量”这两个关键要素。3.米氏散射：指由大小与波长相当时的光波在非球形或球形粒子（其折射率与周围介质不同）上发生的散射现象。解析思路：关键在于粒子尺寸与波长相近，以及粒子为非球形或球形，且存在折射率差异。4.散射相函数：描述了散射粒子将入射辐射向不同方向散射的相对强度分布的函数，通常用（1,β）表示，β为散射角。解析思路：定义核心是“相对强度分布”，“向不同方向散射”以及其常用表示（1,β）。5.大气反照率：指地表或大气层（包括云层）反射的太阳辐射能量与入射太阳辐射能量的比率。解析思路：定义核心是“反射能量/总入射能量”，明确反射的是太阳辐射。二、填空题1.辐射损失/热辐射2.浓度3.随波长变化显著4.反演/遥感反演5.气溶胶/悬浮颗粒物三、简答题1.简述朗伯-比尔定律在大气光学中的适用条件和局限性。解析思路：首先写出适用条件（对稀薄或散射粒子体系，散射可忽略），然后写出定律形式（I=I₀*exp(-τλ)*cosθ）。局限性在于要求粒子浓度低，散射效应小，粒子大小分布均匀且折射率已知，以及路径上粒子均匀分布。大气中常有密集气溶胶，散射不可忽略，且粒子分布复杂，故有局限性。2.比较瑞利散射和米氏散射在散射强度和光谱特性上的主要区别。解析思路：比较两个散射类型。瑞利散射：由小粒子（尺寸远小于波长）引起，散射强度与波长四次方成反比（短波强），各向同性（散射角无关），无选择性散射。米氏散射：由尺寸与波长相近的粒子引起，散射强度与波长关系复杂（通常长波强于短波），具有明显的方向性（前向散射为主），是选择性散射。3.简述地基激光雷达在大气光学性质观测中的应用及其主要优势。解析思路：应用方面，可垂直探测大气柱的消光系数、气溶胶/云廓线、粒子类型反演（结合波长）等。优势方面，精度较高、连续性好（可实时或准实时观测）、成本相对较低、可定点长期监测、直接获取垂直廓线信息。4.阐述大气光学性质研究对于空气质量监测与预报的重要性。解析思路：核心是能见度预报。大气光学性质（特别是气溶胶造成的消光）直接影响能见度。通过观测光学性质参数（如AOD、消光廓线），可评估空气质量，预警雾霾等污染事件。同时，结合气象模型可进行能见度预报。此外，光学性质也是判断污染物类型和来源的重要依据。四、论述题1.详细说明大气辐射传输模型的基本原理，并列举其在研究大气光学性质时需要输入的关键参数。解析思路：基本原理方面，需阐述光线在大气中传播时能量因吸收和散射而减弱和重新分配的过程，以及如何描述这个过程（通常用辐射传输方程，如Beer-Lambert定律的推广形式）。强调模型是数值求解该方程，需要知道辐射路径、大气介质性质和边界条件。研究大气光学性质时，关键输入参数包括：大气组分及其垂直分布（水汽、臭氧、CO₂、气溶胶等）和光学特性（吸收截面、散射截面/相函数）；气溶胶的微物理参数（垂直分布、浓度、粒径分布、形状、折射率）；地表反射率；太阳光谱；观测几何或路径信息。缺少这些输入，模型无法计算得到可靠的输出（如辐射通量、光学参数）。2.论述气溶胶对地球辐射平衡的影响机制，并分析不同类型气溶胶（如黑碳、沙尘、硫酸盐气溶胶）可能产生的不同效应。解析思路：影响机制方面，需从两个角度论述：直接效应（气溶胶对太阳辐射的吸收和散射）和间接效应（通过改变云的特性，如云的成核、云层厚度、寿命等，进而影响云的辐射强迫）。直接效应中，吸收（如黑碳）使地表得到更多热量，导致增温；散射（如硫酸盐、沙尘）使到达地表的太阳辐射减少，导致地表冷却。间接效应复杂，不同类型气溶胶对云的影响不同。不同类型气溶胶效应分析：黑碳（BC）：强吸收者，对直接辐射强迫贡献大，导致地表增温，对气候变暖有显著暖效应。沙尘：主要散射，对直接辐射强迫贡献为负（冷却），但可能通过影响云特性产生正或负间接强迫，还携带养分。硫酸盐：主要散射，对直接辐射强迫贡献为负（冷却），是重要的气候冷却因子，但可能通过影响云凝结核产生正间接强迫。海盐气溶胶：主要散射，对直接辐射强迫贡献为负（冷却），也是云凝结核的重要来源。3.当前大气光学性质研究面临哪些主要的挑战？结合实例，谈谈你对未来该领域可能的发展方向和技术突破的展望。解析思路：挑战方面，可从数据层面（观测数据稀疏、时空分辨率低、多源数据融合难）、模型层面（气溶胶理化性质描述不准确、混合相态复杂、模型参数化方案不确定性）、应用层面（特定场景应用精度有待提高）等角度阐述。例如，城市复杂边界层中气溶胶的生成、演变和光学特性难以精确捕捉；高空卷云的微物理特性和光学效应观测困难；不同来源气溶胶的混合效应及其光学响应复杂。未来发展方向和技术突破展望：发展更高时空分辨率的综合观测系统（如多平台协同、激光雷达网络）；研发更先进的辐射传