2025年大学《大气科学》专业题库- 大气层中的昼夜气象预报研究

2025年大学《大气科学》专业题库——大气层中的昼夜气象预报研究考试时间：______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干后的括号内。）1.下列哪种现象主要是由于白天太阳辐射加热地表不均而引起？A.海陆风B.锋面过境C.辐射雾D.城市热岛效应2.夜间地面辐射冷却导致近地面大气层出现逆温层，其主要影响是？A.加剧大气垂直对流B.抑制低层大气混合C.促进高空水汽凝结D.增强地表热量向上输送3.在昼夜气象预报中，地表反照率的主要作用是？A.影响大气环流模式B.决定地面气温日变化幅度C.控制水汽输送效率D.调制边界层湍流强度4.数值天气预报模式在模拟昼夜过程时，通常面临的最大挑战之一是？A.模式分辨率不足B.边界层物理过程的准确参数化C.大尺度天气系统的快速演变D.雷达观测资料的缺失5.与白天相比，夜间大气边界层通常？A.发展更旺盛，垂直混合更强B.发展受地表冷却影响，高度通常较低C.水汽含量显著增加D.对流活动显著增强6.预报清晨辐射雾的形成，关键的影响因子之一是？A.白天最大气温B.夜间最低气温C.大气湿度层结D.地表平均风速7.以下哪项技术近年来在提高昼夜特定天气现象（如雾、露）预报技巧方面显示出潜力？A.传统统计回归方法B.基于经验规则的方法C.机器学习与人工智能算法D.气压梯度风观测技术8.城市化进程对昼夜气象预报带来的主要影响是？A.增强了全球尺度天气系统的稳定性B.导致了城市热岛效应和复杂的边界层结构C.减少了大气中的水汽含量D.提高了大气环流对季节变化的敏感性9.昼夜天气预报的不确定性主要来源于？A.大尺度天气系统演变的不可预测性B.地表参数化方案的不确定性C.大气边界层过程的复杂性D.以上所有因素10.对农业灌溉或病虫害防治而言，准确的昼夜天气预报尤为重要，这体现了昼夜预报的？A.社会经济价值B.科学研究价值C.军事战略价值D.环境监测价值二、简答题（每小题5分，共25分。请简要回答下列问题。）1.简述地表热量平衡的各个组成部分及其在昼夜过程中的变化。2.解释大气辐射在昼夜温升和温降过程中所起的作用。3.为什么夜间更容易出现辐射雾？请说明其形成的必要条件。4.简述大气边界层高度（PBL）的昼夜变化特征及其对近地面气象要素分布的影响。5.影响昼夜雾/露预报准确性的主要大气因素有哪些？三、论述题（每小题10分，共30分。请结合所学知识，对下列问题进行较为详细的论述。）1.分析地形因素（如山脉、盆地、河谷）如何调制区域的昼夜温差？请举例说明。2.讨论数值天气预报模式在模拟城市热岛效应及其昼夜变化过程中的主要难点和可能的改进方向。3.阐述当前昼夜气象预报面临的主要挑战，并就如何提高特定昼夜天气现象（如夜雨、夜雾）预报技巧提出你的见解。试卷答案一、选择题1.A*解析思路：海陆风是因陆地和海洋热力性质差异导致的昼夜近地面风系，直接由太阳辐射加热不均引起。锋面过境是不同性质气团交界面，与昼夜加热关系不大。辐射雾是夜间冷却地面导致低层水汽凝结，非直接加热引起。城市热岛是城市下垫面与周围热力差异，虽与人类活动有关，但根源仍是地表受热不均。2.B*解析思路：夜间地面辐射冷却使近地面气温下降快于高层，形成逆温，抑制了低层空气的垂直混合和湍流交换。加剧对流与白天增温有关。逆温层抑制混合，不利于辐射雾等凝结现象。冷却减少地表热量向上输送。3.B*解析思路：地表反照率决定地表吸收太阳短波辐射的多少，直接影响地表温度及其日变化。吸收多，升温快，日变幅大；吸收少，升温慢，日变幅小。它不直接决定大尺度环流，对水汽输送和湍流影响相对间接。4.B*解析思路：大气边界层过程（如湍流输送、地表热量通量）的物理机制复杂，参数化方案存在较大不确定性，是NWP模式模拟中的核心难点之一。模式分辨率、大尺度系统演变、观测资料缺失也是挑战，但边界层参数化通常被认为是最困难的环节之一。5.B*解析思路：夜间地表冷却，近地面大气也随之下沉冷却，导致大气稳定度增加，边界层高度通常较白天低。白天受热对流发展，边界层高度较高。夜间混合弱，水汽不易扩散，但含量本身并非显著增加。对流活动在稳定条件下反而减弱。6.B*解析思路：清晨辐射雾的形成需要近地面气温降到露点以下。因此，夜间冷却过程的程度，即最低气温的高低，是关键因子。白天最高气温反映白天增温，与夜间雾形成关系不大。湿度层结是必要条件之一，但冷却是触发条件。风速影响雾的扩散，但不是形成主导因子。7.C*解析思路：传统统计方法和经验规则受限于数据质量和模式依赖，难以捕捉复杂非线性关系。机器学习和人工智能能从海量数据中学习复杂模式，近年来在气象预报，特别是针对特定、复杂现象（如雾、霾）的预报技巧提升上显示出巨大潜力。8.B*解析思路：城市化导致城市地表材质、热量吸收和排放特性改变，形成城市热岛。高建筑影响空气流通，形成复杂的城市边界层结构。这些改变显著影响了局地环流和气象要素分布，给预报带来新挑战。9.D*解析思路：昼夜天气预报的不确定性源于多方面：大尺度背景场演变本身具有不确定性；地表参数化方案对下垫面复杂性的描述存在误差；边界层物理过程（如日出日落后的快速变化）难以精确模拟。这些都是重要来源。10.A*解析思路：准确的昼夜天气预报对于农业生产（如灌溉时机、防霜冻、病虫害防治）至关重要，直接关系到农业产量和经济收益。这体现了天气预报在服务社会、指导生产方面的社会经济价值。二、简答题1.地表热量平衡包括：净短波辐射（到达地面的太阳辐射减去反射）、净长波辐射（地面发射的长波辐射减去大气逆辐射）、地面感热（地面与大气之间的热量交换）、地面潜热（地表蒸发和植物蒸腾消耗的热量）。在昼夜过程中，白天净短波辐射为正且最大，净长波辐射为负且数值减小；夜间净短波辐射为零，净长波辐射为负且数值增大；感热白天为正（放热给大气），夜间为负（从大气吸热）；潜热白天为正，夜间通常很小或为零。2.大气辐射包括吸收、散射和发射。白天，太阳短波辐射使大气增温，部分辐射被吸收，部分被散射；大气发射的长波辐射（红外线）向下到达地表，加热地面。夜间，没有太阳短波辐射到达，地表和大气自身发射的长波辐射是主要的能量交换方式，地表发射的长波辐射加热大气，大气逆辐射也部分回到地表，但地表自身发射的更多能量散失到宇宙空间，导致地表和低层大气冷却。3.辐射雾是因夜间地面强烈辐射冷却，近地面空气达到饱和并发生凝结而形成的。形成必要条件：①有足够长的无云、无风或小风的夜间，以利于地面有效冷却；②近地面空气湿度足够大，达到或接近饱和；③地表具有一定的发射率，能有效辐射热量；④气温垂直层结接近逆温，以抑制水汽向上扩散。4.地形影响地表受热不均，导致近地面气温日变化差异。山地迎风坡白天受热快，背风坡慢；盆地地形内地表受热均匀，但热量不易散失，夜间冷却慢。这些差异导致局地环流不同，进而影响边界层发展。通常，开阔平坦地区边界层发展较高，山地、丘陵地区受地形约束，边界层高度较低且结构复杂，其昼夜变化也更具地方性特征。5.主要大气因素包括：大气湿度层结（特别是低层湿度大小和垂直分布，决定水汽是否易达到饱和）；气温层结（特别是近地面到几公里高度的气温分布，逆温层的存在与否及其强度影响混合和凝结）；大气稳定度（影响垂直运动和水汽扩散）；风场（影响水汽输送和雾的扩散稀释）；大气边界层高度（决定雾的垂直分布范围）。三、论述题1.地形对区域昼夜温差的影响显著。白天，阳坡受光多，升温快；阴坡受光少，升温慢。迎风坡受地形抬升，日照可能更好且风速可能较大；背风坡则可能相对阴湿，风速较小。导致同一区域内不同坡向、不同海拔高度的地面受热差异，进而形成不同的气温日变化。山地通常因为夜间散热快、白天受热慢而具有较小的昼夜温差；而开阔谷地则因为散热快、受热相对均匀而可能具有较大的昼夜温差。例如，盆地地形在白天不易散热，夜间不易受寒流影响，温差通常较大；而山地迎风坡和背风坡的温差也可能因日照和风速的不同而有差异。2.数值天气预报模式模拟城市热岛效应及其昼夜变化面临的主要难点在于：①城市下垫面极其复杂多样（不同材质、高度、绿化率、水体分布），且人为活动强烈（交通、工业、空调等），这些因素对地表能量平衡和热量交换的影响难以精确参数化；②城市边界层结构复杂，受建筑物群影响，垂直方向上风速、温度、污染物浓度等分布很不均匀，现有模式分辨率和参数化方案难以完全捕捉这种精细结构；③城市热岛效应的昼夜变化迅速且机制复杂，受气象条件（如风、云、降水）影响大，模式模拟难度高，尤其日出日落前后热岛强度的快速变化。改进方向可能包括：提高城市区域模式分辨率；发展更精细的城市地表参数化方案，考虑建筑物几何结构、下垫面异质性；利用高分辨率观测数据（如激光雷达、无人机）改进模式初始场和验证；融合人工智能技术，学习城市冠层和边界层的物理过程。3.当前昼夜气象预报面临的主要挑战包括：①地表参数化方案的局限性：对城市、森林、农田等复杂下垫面热量、水分交换过程的描述不够精确，影响地表能量平衡和边界层发展的模拟；②边界层过程模拟困难：昼夜边界层结构变化快、尺度小，湍流混合过程复杂，现有模式难以准确模拟其演变；③观测资料的时空局限性：夜间地面观测稀疏，高空观测也难以完全覆盖边界层，导致模式初始场信息不足；④预报技巧的瓶颈：对于某些特定现象（