2025年大学《大气科学》专业题库- 大气中的微尺度对流及其模拟

2025年大学《大气科学》专业题库——大气中的微尺度对流及其模拟考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.在干绝热过程中，干空气的位温（θ）随高度的变化主要取决于什么？(A)空气的初始温度(B)空气的初始压力(C)环境温度垂直递减率(D)空气的湿度2.大气不稳定性的直接量度是？(A)比湿(B)位温(C)气压(D)温度露点差3.大气中潜热释放最主要的机制是？(A)水汽凝结(B)水汽蒸发(C)冰晶升华(D)干空气绝热冷却4.对流尺度组织（如对流的线、带）的形成通常与什么现象有关？(A)单一强对流单体发展(B)不同尺度对流系统的合并(C)边界层辐合线的存在(D)纯粹的绝热不稳定5.在微尺度对流数值模拟中，云物理参数化主要用来模拟什么过程？(A)大尺度动量输送(B)小尺度湍流扩散(C)云和降水的生成、蒸发和沉降(D)地表热量交换6.条件性不稳定（CI）的产生需要什么条件？(A)绝热递减率大于干绝热递减率(B)绝热递减率小于湿绝热递减率(C)环境温度随高度下降，且在某个高度上气温高于同一高度的绝热气温(D)地表加热率超过潜热释放率7.对流单体生命循环中，哪个阶段上升运动最强，正浮力最大？(A)发展阶段(B)成熟阶段(C)消亡阶段(D)积聚阶段8.CISK（对流-インデックス・サイクル）理论认为，海上的强对流活动如何影响大气环流？(A)直接驱动行星波活动(B)通过加热扰动激发西太平洋暖池上的波动，进而影响大气环流(C)导致地面气压场迅速升高(D)主要影响高层风场结构9.微尺度对流模拟中，网格尺度的大小对模拟结果有何影响？(A)网格越细，模拟结果越精确，但计算量越大(B)网格越粗，模拟结果越粗糙，但计算量越小(C)网格尺度主要影响对流的宏观统计特征，对单体细节影响不大(D)网格尺度对模拟结果影响不大，主要取决于模式参数化10.地表性质（如土壤湿度、植被覆盖）主要通过什么方式影响近地面的微尺度对流？(A)直接改变大气温度直减率(B)影响地表热量和水分通量，进而影响对流不稳定能量的积累和释放(C)增加大气的垂直风速(D)减少大气的湿度二、名词解释（每题3分，共15分）1.绝热不稳定2.潜热释放3.浮力通量4.对流触发层5.微尺度对流模拟参数化方案三、简答题（每题5分，共20分）1.简述大气干绝热过程和湿绝热过程的主要区别。2.解释地表加热不均匀性如何触发局地对流活动。3.简述微尺度对流模拟中，模拟分辨率选择需要考虑的主要因素。4.比较绝热不稳定和条件不稳定在对流发展条件上的主要差异。四、论述题（每题10分，共30分）1.详细阐述潜热释放在维持和发展大气对流活动中的作用机制。2.结合物理过程，论述边界层内的辐合线或锋面如何有利于对流活动的组织和加强。3.讨论当前微尺度对流数值模拟面临的主要挑战，以及可能的改进方向。试卷答案一、选择题1.(C)2.(B)3.(A)4.(C)5.(C)6.(C)7.(A)8.(B)9.(A)10.(B)二、名词解释1.绝热不稳定：指大气块在绝热上升过程中，其绝热气温递减率大于环境气温递减率，导致气块持续获得正浮力而加速上升的一种大气状态。2.潜热释放：指水汽凝结或升华成液态水或冰晶时，所释放的隐含热量。这是大气中重要的能量来源，尤其在对流和大型气团活动过程中。3.浮力通量：指单位时间通过单位面积垂直向上输运的净浮力。它代表了大气垂直动量的源或汇，对流活动受到正浮力通量的驱动。4.对流触发层：指在近地面存在一个温度高于其上空的层，当气块在此层及其以下受到抬升时，会因浮力而加速上升，越过触发层后进入更不稳定的环境，从而触发对流发展。5.微尺度对流模拟参数化方案：指在数值模式中，用来模拟那些比模式网格尺度小得多的物理过程（如云、降水、湍流、地表过程等）对大尺度环流影响的简化数学表达式或方法。三、简答题1.简述大气干绝热过程和湿绝热过程的主要区别。区别在于是否有水相变化和释放潜热。*干绝热过程：空气块绝热上升或下沉，过程中空气中的水汽含量保持不变，没有水相变化，空气温度仅因气压变化而改变。干绝热递减率是一个常数（约9.8K/km）。*湿绝热过程：空气块绝热上升，气温降低，达到饱和后水汽开始凝结（或升华），释放潜热，这股热量部分补偿了空气冷却，使得湿绝热过程的气温下降速率小于干绝热过程。湿绝热递减率随高度和初始湿度变化，通常比干绝热递减率小。2.解释地表加热不均匀性如何触发局地对流活动。地表加热不均匀性会导致近地面温度和气压分布不均。在暖区，地面温度高，近地面空气受热膨胀，密度减小而上升，形成低压区。上升的暖空气在上升过程中绝热冷却，如果环境不稳定，便会继续发展形成对流。同时，周围较冷、较重的空气会流向暖区低层补充，进一步加剧了局地的垂直运动。这种由地表不均匀加热驱动的局地上升气流就是局地对流活动。3.简述微尺度对流模拟中，模拟分辨率选择需要考虑的主要因素。*物理现象的尺度：分辨率需要至少能分辨出要模拟的主要物理过程的最大和最小尺度。例如，要模拟对流单体，分辨率至少要能分辨对流单体尺度；要模拟云内微物理过程，可能需要更高的分辨率。*计算资源限制：更高的分辨率意味着更大的计算量（CPU时间和内存需求），需要根据可用的计算资源进行权衡。*模式的稳定性和收敛性：分辨率过高可能导致数值计算不稳定或收敛困难。需要通过试验确定合适的分辨率范围。*模式的网格嵌套：如果采用网格嵌套技术，需要考虑嵌套区域和主区域的分辨率匹配问题。*模拟目的：对流活动的研究可能需要较高的分辨率，而研究其大尺度强迫或统计特征时，较低的分辨率可能就足够了。4.比较绝热不稳定和条件不稳定在对流发展条件上的主要差异。*绝热不稳定：对流发展的驱动力是大气本身的绝热不稳定结构，即环境空气的温度随高度下降的速率（环境直减率）大于干空气的绝热冷却速率。这种不稳定存在于环境空气柱中，不需要额外的触发机制，只要有抬升源（如地形、辐合线）即可触发对流。例如，在晴空暖云发展或高空急流附近。*条件不稳定：对流发展的驱动力是大气中的条件不稳定层结。即近地面空气是绝热稳定的，但在某个高度以上存在一个绝热不稳定层（环境直减率大于干绝热递减率）。要使对流发展，必须有一个触发机制将不稳定空气抬升到这个不稳定层以上。常见的触发机制包括地表加热产生的热力抬升、地形抬升、气流的辐合抬升等。例如，典型的雷暴天气。四、论述题1.详细阐述潜热释放在维持和发展大气对流活动中的作用机制。潜热释放在对流活动的发展和维持中扮演着至关重要的角色，主要通过以下机制：*提供能量正反馈：当不稳定空气块被抬升到饱和高度后，水汽凝结（或冰晶升华）释放潜热。这股热量直接加热了上升的空气块，使其温度升高，密度减小，进一步增强了其正浮力，导致空气加速上升。这就是一个正反馈过程，潜热释放显著增强了上升气流的发展和强度。*维持对流层中上部的有组织结构：对流释放的潜热不仅加热了上升气流，也通过感热和平流等方式向周围环境释放热量，特别是在对流层中上部。这有助于加热那里的环境空气，使其变得更不稳定，从而为对流活动的持续发展和更大范围的循环提供了有利的背景环境。例如，在CISK理论中，对流加热维持了西太平洋暖池附近的上层热力强迫。*影响大气环流和降水分布：大规模的对流活动及其伴随的潜热释放，可以组织成对流云团或带，进而影响区域性的大气环流和水汽输送。释放的潜热通过大气环流向上传输，最终通过降水形式释放，对区域乃至全球的水循环和气候产生深远影响。2.结合物理过程，论述边界层内的辐合线或锋面如何有利于对流活动的组织和加强。边界层内的辐合线（如辐合带、地形辐合线）或锋面是触发和加强对流活动的理想场所，主要基于以下物理过程：*提供抬升机制：辐合线意味着在水平方向上气流的汇合，根据连续性方程，这必然导致辐合线附近气流的垂直分量增大，即产生向上的垂直速度，提供了强制抬升机制。锋面是冷、暖空气的交界面，由于密度和温度差异，在锋面附近存在显著的密度梯度，导致气流的被迫抬升（例如冷气楔入暖气团下方）。*破坏地表均匀性，加剧不稳定：辐合线或锋面通常会带来地表加热和动力条件的非均匀性。例如，锋面过境常伴随降水和云覆盖，改变了地表与大气之间的热量交换方式；地形辐合线则直接连接了不同下垫面。这种非均匀性导致局地热力差异增大，更容易产生不稳定能量积累。*汇聚水汽：辐合线或锋面常常是水汽辐合的区域，有利于暖湿空气的聚集。充足的水汽是维持对流发展和产生降水的前提条件。*提供触发层：辐合线或锋面附近的温度和湿度梯度常常形成对流触发层。当存在不稳定空气时，一旦有微小扰动（如地形抬升、气旋性曲率产生的科里奥利力）将其抬升到触发层以上，便会触发对流发展。*促进对流组织：在辐合线或锋面附近，上升气流不仅受到初始抬升的驱动，还可能受到后续气流的强迫和已有对流系统的反馈作用，更容易发展成组织性更强的对流系统（如对流线、带），形成持续性的强降水。3.讨论当前微尺度对流模拟面临的主要挑战，以及可能的改进方向。微尺度对流模拟目前面临诸多挑战，主要体现在以下几个方面：*尺度转换难题（嵌套问题）：微尺度过程（如对流单体）的尺度远小于模式的全局尺度，而要准确模拟其细节，又需要极高的分辨率。直接在大尺度网格上模拟小尺度过程精度不足，而采用网格嵌套虽然可以提高局部分辨率，但增加了模式的复杂性和计算量，且嵌套边界处理可能引入误差。*云-降水物理过程的参数化：云和降水的形成、增长、蒸发和沉降过程极其复杂，涉及微物理过程（如云滴碰撞增长、冰晶的贝吉隆过程等）。目前常用的参数化方案大多基于统计或半经验半理论方法，简化过多，难以完全捕捉云微物理过程的精细结构和动力学反馈，导致模拟的降水量和类型与实况存在系统偏差。*湍流过程的参数化：对流活动伴随着强烈的近地面和中层湍流混合。现有湍流参数化方案在描述这种强湍流的结构、能量传递和与对流组织的相互作用方面仍有不足。*模式分辨率与计算资源的矛盾：要获得高分辨率的模拟结果以捕捉微尺度对流细节，需要巨大的计算资源，这对于许多研究机构和应用场景来说难以承受。如何在有限的资源下获得尽可能准确的模拟结果是一个持续的挑战。*模式对初始条件和参数化方案变化的敏感性：微尺度对流系统对大气环境条件（如初始温度、湿度扰动）和模式参数化方案的选择非常敏感，小的不确定性可能导致模拟结果的大幅差异，降低了模拟的可预测性。针对上述挑战，可能的改进方向包括：*发展更高效的嵌套技术和多尺度耦合方法：研究更优化的嵌套策略，减少嵌套边界误差；探索数据同化等技术在嵌套中的应用；研究多尺度模式耦合系统，更有效地连接不同空间和时间尺度的过程。*改进云-降水物理参数化方案：基于更深入的微物理观测和理论理解，发展更复杂、更基于物理的云微物理参数化方案，或采用双流体云模型等更精细的模拟方法；利