2025年大学《大气科学》专业题库- 大气边界层结构对大气环境污染形成与扩散的影响及风险区域划分研究

2025年大学《大气科学》专业题库——大气边界层结构对大气环境污染形成与扩散的影响及风险区域划分研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题4分，共20分）1.大气边界层2.湍流交换系数3.污染羽4.光化学烟雾5.风险区域划分二、简答题（每题8分，共40分）1.简述影响大气边界层高度的主要气象因素。2.比较大气边界层中稳定、不稳定和中性层结条件下的近地面风速和湍流特征。3.简述大气污染物主要的物理去除过程及其与边界层湍流的关系。4.列举至少三种影响城市污染物扩散的大气边界层结构特征。5.简述进行空气污染风险评估需要考虑的主要因素。三、论述题（每题20分，共40分）1.结合具体城市或区域案例（如河谷城市、沿海地区、盆地地形），分析大气边界层结构对其空气污染形成与扩散的特殊影响。2.论述如何利用气象观测数据（如气象塔、雷达、卫星遥感）和污染扩散模型（如高斯模型、数值模型），为某区域进行空气污染风险区域划分提供科学依据，并分析可能存在的问题与不确定性。试卷答案一、名词解释1.大气边界层：指地表到大气层中一个湍流混合显著的层次，其上界为行星边界层顶或混合层顶，下界紧贴地表。该层内大气与地表间通过湍流交换进行热量、水分和污染物的交换，其结构特征直接影响近地面大气现象和污染物的扩散。**解析思路：*考察对边界层基本定义、范围（与行星边界层顶/混合层的关系）和核心特征（湍流混合）的理解。2.湍流交换系数：表征大气边界层中污染物或其他大气要素（如热量、水分）从层内垂直混合到地表或从地表向上输送效率的无量纲参数。它反映了边界层湍流强度和污染物扩散能力，是大气扩散模型中的重要参数。**解析思路：*考察对湍流交换系数物理意义、作用以及作为模型参数的理解。3.污染羽：指大气污染物从排放源（点源、面源或体源）向周围环境扩散所形成的污染物浓度分布区域，通常呈羽流状或扇形分布。其形态、范围和浓度水平受排放源强、气象条件（特别是风和湍流）以及下垫面特性等因素控制。**解析思路：*考察对污染羽基本概念、形态特征及其影响因素的理解。4.光化学烟雾：一种发生在大气边界层中的二次空气污染现象。它由挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）等前体物在阳光（紫外线）作用下发生光化学反应，生成臭氧（O₃）、过氧乙酰硝酸酯（PANs）等二次污染物，并与一次污染物混合，形成刺激性烟雾，导致能见度下降，危害人体健康和生态系统。**解析思路：*考察对光化学烟雾成因（前体物、阳光）、主要二次污染物及其危害的理解。5.风险区域划分：指根据区域环境质量现状、污染源特征、气象条件、人口分布、敏感目标（如居民区、学校、医院）等因素，识别和划分出不同污染风险等级的区域的过程。目的是为制定差异化的环境管理策略（如产业布局规划、重污染天气应急响应、环境监管重点）提供科学依据。**解析思路：*考察对风险区域划分基本概念、目的和主要依据的理解。二、简答题1.简述影响大气边界层高度的主要气象因素。**答案：*主要气象因素包括：①太阳辐射/气温：白天太阳辐射增强，地面受热增温，对流加强，边界层高度升高；夜间或阴天，地面冷却，对流减弱，边界层高度降低。②风速：风速较大时，垂直混合加强，有助于边界层发展，高度相对较高；风速小时，边界层发展受抑，高度相对较低。③地表热力性质：城市地表（如柏油路、建筑）比农村草地或水体吸热快、升温快，形成的热力对流更强，导致城市边界层高度通常高于周边乡村地区。④降水：降水过程伴随的冷却和冲刷作用，会暂时抑制对流，降低边界层高度，但降水后地表湿润蒸发，可能促进边界层恢复和发展。**解析思路：*要求学生列举并简要说明影响边界层垂直发展强弱的关键气象和地表因素，理解其物理机制。2.比较大气边界层中稳定、不稳定和中性层结条件下的近地面风速和湍流特征。**答案：*①稳定层结：近地面大气温度随高度升高而降低，垂直运动受抑制。此时，近地面风速通常较小且风速梯度较小（层结稳定抑制了湍流发展），湍流交换系数较小。可能出现逆温层，阻碍污染物向上扩散。②不稳定层结：近地面大气温度随高度升高而降低更快，垂直对流强烈。此时，近地面风速可能较大（受地面摩擦和热力对流共同影响），湍流交换系数很大，边界层混合强烈，污染物扩散能力强。③中性层结：近地面大气温度随高度变化不大。此时，风速和湍流特征介于稳定和不稳定之间，风速梯度遵循对数律，湍流交换系数相对稳定，边界层混合状况取决于其他因素（如风、摩擦）。**解析思路：*考察学生对不同层结条件下，近地面大气垂直运动（对流）、风速、湍流强度（交换系数）的差异及其与边界层混合能力的关联的理解。3.简述大气污染物主要的物理去除过程及其与边界层湍流的关系。**答案：*主要物理去除过程包括：①干沉降：指污染物颗粒物或气体在无降水条件下，通过重力沉降、惯性碰撞、扩散等机制从大气中去除的过程。颗粒物的重力沉降速度较快，而气体污染物的干沉降速率与边界层湍流强度密切相关，湍流越强，混合越充分，干沉降速率越快。②湿沉降：指污染物被云、雾、雨、雪等降水过程捕获并从大气中去除的过程。湿沉降效率与降水强度和持续时间有关。边界层内的污染物浓度越高，湿沉降对其去除的贡献也越大。**解析思路：*要求学生识别主要的物理去除过程，并重点阐述干沉降过程与边界层湍流（特别是混合/扩散）的密切关系。4.列举至少三种影响城市污染物扩散的大气边界层结构特征。**答案：*至少三种特征包括：①城市热岛效应：城市地表材质和下垫面特性导致城市区域气温高于周边乡村地区，形成热力环流，加强近地面湍流混合，改变局地风场，对污染物扩散产生复杂影响（可能扩大或缩小污染范围，加速或延缓浓度衰减）。②建筑物群对气流的影响：高密度建筑物群会阻塞、扭曲边界层气流，形成复杂的绕流、涡旋和死角区域，导致污染物在特定区域累积或扩散受阻。③混合层高度受限：城市地表粗糙度大，且常存在逆温层（如夜间或重污染期间），限制了混合层的发展高度，导致污染物难以扩散到高空，浓度较高。④河谷、盆地地形：地形会引导和约束气流，加剧或改变污染物输送路径，在谷底或盆地等闭塞区域，污染物易累积，边界层混合能力减弱。**解析思路：*考察学生对城市特有的边界层结构和特征（热力、动力、地形）及其对污染物扩散具体影响的掌握。5.简述进行空气污染风险评估需要考虑的主要因素。**答案：*主要因素包括：①污染物浓度及其时空分布：评估当前和潜在的最高污染物浓度水平及其发生的时间和空间位置。②暴露人口：评估受污染影响的人口数量、密度及其暴露特征（如活动模式）。③污染物的毒性：评估不同污染物对人体健康或生态系统可能造成的危害程度。④敏感目标：识别区域内存在的医院、学校、居民区、生态保护区等对污染敏感的场所。⑤气象条件：评估影响污染物扩散和人体暴露的气象因素（如风速、风向、边界层高度、降水）。⑥社会经济活动：评估区域内主要污染源（工业、交通、生活）的分布、强度和未来变化趋势。**解析思路：*要求学生理解空气污染风险评估是一个多因素综合评估过程，需要考虑污染本身、受体（人口、目标）、危害（毒性）、环境条件（气象）以及污染来源。三、论述题1.结合具体城市或区域案例（如河谷城市、沿海地区、盆地地形），分析大气边界层结构对其空气污染形成与扩散的特殊影响。**答案：*以河谷城市为例，其特殊地形（两侧高山，中间低谷）在晴朗无风的稳定天气条件下，易形成逆温层，将污染物“锅盖”式地困在谷底，导致近地面污染物浓度急剧升高，形成严重的区域性重污染。同时，山谷地形会形成山谷风环流，白天谷风将污染物从谷底推向山坡，夜间山风又将污染物带回谷底，形成污染物的往返输送和累积。高山的阻挡也使得山谷内的风速较小，进一步抑制了污染物的扩散。沿海地区受海陆风系统影响显著，污染物在陆风条件下可能被输送到海上，但在海风条件下则可能被输送到陆地，且海岸线曲折会加剧局地环流复杂度。盆地地形与河谷类似，四周高中间低，也易在稳定条件下形成闭合环流，阻碍污染物扩散。这些特殊边界层结构都显著改变了污染物的扩散能力和污染模式，使得河谷、沿海、盆地城市面临更严峻或更具特色的空气污染挑战。**解析思路：*要求学生能结合具体案例，分析特定地形如何影响边界层结构（如逆温、风场模式），并进一步阐述这些结构特征如何具体影响污染物的扩散路径、范围、累积和演变过程，体现理论联系实际的能力。2.论述如何利用气象观测数据和污染扩散模型，为某区域进行空气污染风险区域划分提供科学依据，并分析可能存在的问题与不确定性。**答案：*利用气象观测数据和污染扩散模型进行空气污染风险区域划分，主要步骤和依据如下：首先，收集该区域长期、高分辨率的气象观测数据（如气象塔、雷达、卫星遥感获取的风速、风向、温度、湿度、边界层高度等），分析其时空分布特征和典型气象条件。其次，选择合适的污染扩散模型（如基于高斯模型的盒子模型用于区域平均浓度估算，或数值空气质量模型WRF-Chem/GEOS-Chem用于精细化模拟），利用收集到的气象数据和排放清单（点源、面源、移动源排放信息），模拟不同气象条件下污染物的浓度分布。根据模拟结果，结合地理信息系统（GIS），叠加分析人口密度、敏感目标（学校、医院、居民区）、土地利用类型、环境质量标准等信息，识别出污染物浓度持续超标、高风险暴露区域以及环境敏感保护区域。科学依据在于：气象条件是影响污染物扩散的关键驱动因子，模型模拟能够定量评估不同气象和排放情景下的污染水平，为识别高风险区域提供量化依据。可能存在的问题与不确定性包括：①气象观测数据质量和代表性：站点稀疏、数据缺失或分辨率不足会影响模型输入的准确性。②排放清单的不确定性：源强估算存在误差，尤其是面源和移动源。③模型本身的不确定性：模型参数选择、