2025年大学《大气科学》专业题库- 大气遥感技术在气候预测中的应用

2025年大学《大气科学》专业题库——大气遥感技术在气候预测中的应用考试时间：______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题干后的括号内）1.以下哪种遥感方式主要利用大气对电磁波的吸收和发射特性来探测大气参数？A.微波散射B.激光雷达后向散射C.红外辐射测量D.可见光图像识别2.卫星红外辐射计主要用于遥感反演哪一项大气参数？A.大气可降水量B.近地面气温廓线C.海表温度D.风速3.主动遥感与被动遥感的根本区别在于？A.使用平台不同（卫星vs航空）B.探测的电磁波波段不同C.是否主动向目标发射电磁波D.数据处理方法不同4.微波辐射计能够穿透云层探测大气水汽，其主要利用的原理是？A.水汽对可见光的吸收B.水汽对微波的强烈吸收C.水汽对红外线的反射D.云滴对微波的散射5.在气候模式初始化中，利用卫星遥感数据进行海表温度订正，其主要目的是？A.提高模式对海洋环流模拟的精度B.减少模式对陆地表面蒸散发通量的依赖C.改善模式大气边界层的模拟D.直接提高模式长期气候预测技巧6.大气辐射传输方程中，描述光束强度随路径长度增加而减弱的主要物理过程是？A.散射B.吸收C.反射D.跃迁7.卫星散射计通过测量海面回波来反演风场，其工作原理主要基于？A.微波辐射传输B.光学路径积分C.海面波浪对电磁波的调制散射D.大气水汽凝结物的红外吸收8.以下哪项技术通常不直接归类为大气遥感？A.GPS水汽探测B.激光雷达风廓线测量C.地面气象观测站D.卫星红外云顶亮温反演9.将遥感观测数据融入气候模式的过程，通常称为？A.数据插值B.数据同化C.辐射传输订正D.参数化方案调整10.限制卫星遥感反演大气参数精度的一个主要不确定性来源是？A.传感器发射功率波动B.大气气溶胶和云的干扰C.地面接收站位置误差D.气候模式输出数据的分辨率二、简答题（每题5分，共25分。请将答案写在题干后的横线上或指定区域内）11.简述被动遥感和主动遥感在大气参数遥感反演中的基本原理区别。12.列举三种常用的微波遥感器及其在大气参数探测中各自的主要应用领域。13.简述大气遥感数据在气候监测中的作用，并举例说明其在监测全球气候变化方面的应用。14.解释什么是遥感数据同化，并简述其在改进气候预测中的作用机制。15.指出大气遥感技术在应用于气候预测时面临的主要挑战之一，并简述其原因。三、论述题（每题10分，共30分。请将答案写在题干后的横线上或指定区域内）16.论述卫星遥感数据在改进热带气旋（台风）早期预警和预报中的应用潜力与局限性。17.结合大气辐射传输的基本概念，论述为何微波遥感技术在夜温和大气水汽遥感方面具有优势。18.试述将大气遥感数据引入气候模式初始场和观测资料同化过程的主要方法及其对提高气候预测信息贡献的可能途径。试卷答案一、选择题1.C*解析思路：被动遥感利用大气自身发射或反射的电磁波（如红外辐射）探测信息，红外辐射测量属于此类。A、B、D均为主动遥感，即主动发射电磁波并接收目标回波或散射信号。2.B*解析思路：红外辐射计通过测量大气中特定红外通道的辐射亮度，根据发射率和反演算法可以推算大气温度。C是红外遥感，但通常指地表温度。A和D是微波遥感应用。3.C*解析思路：主动遥感是指遥感系统主动向目标发射电磁波并接收回波（如雷达、激光雷达），被动遥感是指接收目标自身发射或反射的天然电磁波（如卫星红外、可见光遥感）。A、B、D描述的不是主动/被动区别的核心。4.B*解析思路：微波具有较强的穿透云雨的能力，因为水汽和云滴对微波的吸收和散射效率相对较低（相比红外光）。微波辐射计正是利用水汽对特定微波频率的强吸收特性来反演水汽含量。5.C*解析思路：海表温度是海洋边界层的关键参数，影响大气边界层的热量交换和动力过程。通过遥感精确获取海表温度，有助于模式更准确地模拟近海地区的气温、湿度、风场等，从而改善区域气候模拟，进而可能对全球气候模拟产生间接影响。6.B*解析思路：大气辐射传输方程描述的是电磁辐射能量在大气中传播时，因吸收和散射而减弱的过程。吸收使能量转化为热能，散射使能量改变方向，两者共同导致沿路径强度下降。7.C*解析思路：卫星散射计发射微波脉冲到海面，部分能量被海面波浪调制后向后散射回卫星被接收。海面风速越大，波浪越强，回波信号越强。通过分析回波信号强度和相关特性可以反演风场。8.C*解析思路：大气遥感主要依赖探测大气本身或大气与电磁波的相互作用。地面气象观测站直接在地面进行观测，属于常规地面观测，而非遥感技术。9.B*解析思路：数据同化是指将观测数据（包括遥感数据）与模型预报信息结合起来，修正模型状态或参数，以获得比单独使用模型或观测数据更准确、更完整的状态估计的过程。10.B*解析思路：大气中的云、气溶胶等粒子会吸收、散射或反射遥感信号，导致信号失真，从而给大气参数反演带来不确定性。这是遥感（特别是卫星遥感）普遍面临的主要问题之一。二、简答题11.被动遥感利用大气自身发射或反射的天然电磁波探测信息。例如，红外遥感测量大气发射的红外辐射来确定温度，可见光遥感利用云、气溶胶对阳光的散射和反射成像。主动遥感则主动向目标发射电磁波，然后接收目标反射或散射回来的信号来探测信息。例如，雷达发射微波并接收目标回波来探测距离和速度，激光雷达发射激光并接收大气分子散射的信号来探测浓度和风。12.微波辐射计：用于探测大气水汽含量（可降水量、水汽廓线）、气温廓线（尤其是高空）、海面温度等。天气雷达：用于探测降水（雨、雪、冰雹）分布、强度、速度和位移，以及云滴谱分布。激光雷达：用于高精度探测大气垂直风场、气溶胶浓度廓线、边界层高度、臭氧浓度廓线等。13.大气遥感数据能够提供全球范围、长时间序列、高时空分辨率的大气要素观测资料，弥补了地面观测站点稀疏、覆盖范围有限的不足。例如，卫星遥感可连续监测全球地表温度变化、海冰融化、植被覆盖演变、大气水汽分布和输送等，为研究全球变暖、气候变化趋势和机制提供了关键证据。如MODIS、VIIRS等卫星数据广泛应用于气候变化监测研究。14.遥感数据同化是将卫星等遥感观测获得的大气状态信息（如温度、水汽、风速、云量等）有效地融入数值天气预报或气候模型的过程中。通过特定的算法（如集合卡尔曼滤波、变分同化等），将观测信息与模型预报信息进行最优组合，修正模型初始场或更新模型参数，以减小模型误差，提高模型对大气真实状态的可描述能力，从而提升短期天气预报精度和长期气候模拟的可靠性。15.主要挑战之一是遥感数据的不确定性。来源包括：传感器测量误差、大气订正模型误差（如云/气溶胶影响难以精确修正）、时空分辨率与模型格点匹配问题、观测几何角度影响等。这些不确定性如果处理不当，会引入误差甚至“噪声”到模型中，反而降低预测精度。此外，将遥感数据高效、准确地融入复杂气候模型也是一个技术难点。三、论述题16.卫星遥感在热带气旋早期预警和预报中具有重要潜力。其优势在于能够提供大范围、高频次（如每几小时一次）的台风形态、强度、位置和移动路径等信息。例如，红外云顶亮温图可以判断台风眼和云顶强度，多普勒天气雷达（结合卫星）可以反演近台风中心的风场和螺旋带结构，帮助判断台风强度和结构变化趋势。卫星遥感还可以提供传统地面观测难以获取的高空风场、水汽输送等信息，有助于理解台风发展机制和未来路径。局限性在于：遥感探测的是大气柱信息，难以直接精确测量核心最低气压；云覆盖会遮挡台风中心或部分区域，影响观测；数据处理和产品释读需要专业知识；遥感产品的时间分辨率和空间分辨率仍有局限性，可能无法捕捉台风内部快速变化；对极端强台风内部结构的观测能力仍有限。17.微波遥感在夜温和大气水汽遥感方面具有优势，主要得益于微波与水汽、液态水以及某些固体粒子（如云滴、气溶胶）的强相互作用。对于夜温遥感，红外辐射主要依赖于地表自身发射，而在夜间缺乏太阳辐射，地表温度低，且红外辐射受大气水汽和云层影响显著。而微波辐射可以穿透云层，并且微波大气窗口（如22GHz、183GHz附近）的水汽吸收通道非常强，通过测量大气在这些通道的微波辐射，可以反演大气水汽含量和温度廓线，即使在没有红外信号的夜间或云覆盖条件下也能进行。此外，某些微波频率对液态水（云、雾、降水）非常敏感，可用于精确探测云水含量和降水强度，这些都为夜温和水汽遥感提供了红外方法无法比拟的优势。18.将大气遥感数据引入气候模式主要方法包括：①数据同化（DataAssimilation）：这是最常用方法。利用如集合卡尔曼滤波（EnKF）、变分同化（4D-Var,3D-Var）等算法，将高分辨率、时空分布的遥感观测数据（如卫星反演的温度、水汽、风场、气压等）与模型较低分辨率的预报场进行融合，更新模型状态（特别是初始场），或改进模型参数。②集合初始化（EnsembleInitialization）：在集合预报中，使用遥感数据生成一组初始状态略有不同的模型积分轨迹，有助于更好地捕捉初始状态的不确定性。③数据驱动模型（Data-DrivenModels）：有时会将遥感观测或其衍生产品（如遥相关）作为模型的一部分或替代部分物理过程，尤其是在