2025年大学《大气科学》专业题库- 气象预报技术及其应用

2025年大学《大气科学》专业题库——气象预报技术及其应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪项不属于常规气象观测的基本要素？A.温度B.气压C.大气可降水量D.风向2.气象探空气球主要依靠什么原理上升并获取大气垂直剖面信息？A.热气流上升B.起重力大于浮力C.气球材料受热膨胀D.气压随高度递减3.气象雷达主要用于探测大气中的什么现象？A.地面温度分布B.大气水汽含量C.雷达波束路径上的目标回波D.大气电离层状况4.数值天气预报（NWP）模式的核心是求解一组描述大气运动的什么方程？A.电路基本定律B.热力学定律C.天体力学定律D.大气动力学和热力学方程组5.以下哪种天气系统通常与阴雨天气相联系？A.高压脊B.暖锋C.地面冷气团D.副热带高压中心6.统计预报中，利用历史天气资料与未来预报量之间的相关性进行预测的方法称为？A.统计回归分析B.模式输出统计（MOS）C.集合预报D.时间序列预测7.能够直接测量大气温度、湿度、气压和风的仪器，通常安装在什么设备上？A.气象卫星B.气象雷达C.自动气象站D.探空气球8.天气图分析中，判断锋面位置和性质的重要依据之一是？A.风向标B.等温线疏密C.气压值大小D.地形等高线9.对流层顶的主要特征是？A.温度随高度迅速升高B.气压接近海平面C.大气以辐射传输为主D.温度随高度递减且存在逆温层10.下列哪项技术不属于遥感探测手段？A.卫星云图监测B.激光雷达测风C.自动气象站自动观测D.红外气体分析仪二、填空题（每空1分，共15分）1.大气垂直方向上温度随高度变化的平均规律称为______。2.气象卫星根据其轨道高度可分为______和______。3.数值天气预报模式的“初值”是指______时刻大气的完整状态描述。4.锋面是冷暖气团交界的过渡带，常伴有______和______天气。5.天气预报的准确性通常用______、______和______等指标来评价。6.基于数值预报产品，通过统计方法建立的、用于改进特定地点预报的模型称为______。7.能够同时测量多个气象要素（如温、湿、压、风）的仪器称为______。8.利用雷达探测大气中水滴或冰晶的回波强度来估计降水强度的方法称为______。9.天气图分析中，等压线向气压高处弯曲的线称为______。10.气象灾害预警系统通常包含______、______和______三个主要环节。三、名词解释（每题3分，共15分）1.绝对湿度2.气团3.集合天气预报4.物理过程参数化5.专业气象预报四、简答题（每题5分，共20分）1.简述地面气象观测站的主要观测项目及其意义。2.比较雷达探测和卫星探测在大气观测中的主要异同点。3.简述数值天气预报（NWP）的基本工作流程。4.简述天气预报业务中，如何利用天气图分析判断锋面系统。五、论述题（每题10分，共20分）1.试述大气探测技术（包括地面、探空、遥感等）在气象预报中的重要作用及其面临的挑战。2.结合实例，论述数值天气预报（NWP）在现代天气预报业务中的应用及其局限性。试卷答案一、选择题1.C解析思路：常规气象观测要素主要包括温度、气压、湿度、风（风向和风速）、降水、能见度、日照等。大气可降水量是通过特定技术（如雷达、卫星或探空）测量的，不属于地面常规观测要素。2.B解析思路：气象探空气球依靠自身重量小于周围空气的浮力而上升。其上升动力来源于内部充装的氢气或氦气，这些气体的密度小于同温同压下的空气密度，因此起重力（球体+气体总重）小于浮力，产生净上升力。3.C解析思路：气象雷达通过发射电磁波，并接收目标（如雨滴、冰晶、雪片等）反射的回波信号，根据回波强度、多普勒频移等信息来探测目标的位置、速度、强度等特征，即探测雷达波束路径上的目标回波。4.D解析思路：数值天气预报模式的核心是建立并求解描述大气运动和变化的数学方程组，主要包括大气动力学方程（如运动方程、连续方程）和热力学方程（如热力学方程、状态方程）。5.B解析思路：暖锋是暖气团主动向冷气团推进形成的锋面，暖气团密度小，位于冷气团之上，锋面过境时通常伴随气温升高、气压下降、风向转变以及连阴雨天气。冷锋则相反，常伴随剧烈天气变化，包括降水和强风。高压脊是高压系统中的弯曲部分，通常引导气流辐散，天气晴朗。副热带高压中心附近天气也以晴热为主。6.A解析思路：统计回归分析是利用两个或多个变量之间的统计关系来预测一个变量值的方法。在统计预报中，常利用历史天气要素之间或天气要素与预报量之间的相关性，建立回归方程进行预测。7.C解析思路：自动气象站（AutomatedWeatherStation,AWS）是集多种气象要素测量（如温度、湿度、气压、风速风向、降水等）和数据处理、数据传输于一体的自动化观测系统，能够按照预设时间自动进行观测和数据采集。8.B解析思路：天气图分析中，等温线的分布和疏密程度能够反映大气的温度场结构。冷暖气团的交界面（锋面）通常位于等温线密集或急剧变化的地带，通过分析等温线的走向、疏密和弯曲情况，可以判断锋面的位置、性质和移动趋势。9.D解析思路：对流层是地球大气最下层，其基本特征是气温随高度升高而降低。在对流层顶部，即对流层顶（Tropopause），温度随高度的递减率发生改变，通常形成一个温度几乎不变或微弱的逆温层，将对流层与平流层隔开。10.D解析思路：遥感探测是指不直接接触物体本身，通过感知物体所辐射或反射的电磁波等信息，对物体的性质、状态进行探测和识别。红外气体分析仪是直接测量特定气体浓度（如CO2）的仪器，属于接触式或点式测量，而非遥感探测手段。卫星云图、激光雷达测风、红外（热红外）成像等都属于遥感技术范畴。二、填空题1.大气垂直温度递减率解析思路：大气垂直温度递减率描述了气温随高度变化的平均规律，是理解大气层结稳定度、云的形成等重要气象现象的基础概念。2.地球静止气象卫星；太阳同步气象卫星解析思路：这是根据卫星轨道相对于地球自转的关系对气象卫星进行的分类。地球静止卫星位于赤道上空约36000公里处，相对地面静止，主要覆盖地球某一侧区域（约1/3地球）。太阳同步卫星的轨道平面与地球赤道面夹角固定，且其运行周期与地球绕太阳公转周期相同，使得卫星每次经过同一纬度时当地地方时相同，适合对太阳辐射变化敏感的观测。3.模拟起始解析思路：数值天气预报模式需要知道一个准确的大气初始状态（初始场）才能进行模拟。这个初始场通常是通过整合各种探测资料，使用数据同化技术生成的、代表模拟开始时刻（模拟起始时刻）的大气状态。4.云；降水解析思路：锋面是不同性质气团的交界面，两种性质差异较大的气团相遇时，往往会产生强烈的上升运动，导致水汽凝结形成云，并在条件有利时产生降水。5.准确率；预报时效；空报率/漏报率解析思路：评价天气预报效果的主要指标包括预报准确程度（准确率）、预报提前的时间长度（预报时效）以及预报的“准确性”（空报率指预报有而实际没有，漏报率指预报没有而实际有）。6.模式输出统计（MOS）解析思路：MOS技术利用长期历史NWP输出资料和对应的实况观测资料，建立站点预报量（如未来24小时降水）与NWP输出场要素之间的统计关系，从而制作出针对具体预报地点的、比NWP直接输出更准确的预报。7.多要素自动观测仪器（或简称自动气象站）解析思路：能够同时测量温度、湿度、气压、风速风向等多个气象要素的自动化仪器设备，通常集成在自动气象站中，实现了多种要素的自动、连续、定时观测。8.反射率因子测量（或Z因子测量）解析思路：雷达降水估测主要依据的是雷达波束遇到大气中降水粒子（雨滴、雪晶等）时发生的散射效应。回波强度（通常用反射率因子Z，单位dBZ）与降水粒子的大小、浓度密切相关，通过标定雷达的Z-R关系（降水率与反射率因子之间的关系），就可以根据测得的回波强度来估算降水强度。9.高压脊解析思路：在天气图上，等压线弯曲延伸，指向气压较高值一侧的部分称为高压脊。脊线附近气流辐散，常常是晴朗天气区。与之相对的是低压脊，等压线弯曲指向气压较低值一侧。10.监测预警；风险评估；发布传播解析思路：一个完整的气象灾害预警系统通常包含三个核心环节：首先是对可能发生的灾害性天气进行持续监测和早期识别（监测预警）；然后是对灾害可能造成的风险进行评估（风险评估）；最后是将预警信息及时、准确、有效地发布给相关政府部门和公众（发布传播）。三、名词解释1.绝对湿度：指单位体积的湿空气中所含水汽的质量。其单位通常是克/立方米（g/m³）或千克/立方米（kg/m³）。2.气团：指在水平方向上温度、湿度等气象要素分布比较均匀，而在垂直方向上性质差异相对较小的巨大空气团。气团具有一定的范围和连续性，其物理属性（冷、暖、干、湿）决定了它移入某地后对该地天气的影响。3.集合天气预报：指利用数值天气预报模式，针对同一个初始状态，使用不同的参数化方案、不同的随机扰动或不同的模式版本进行多次独立模拟，得到一系列（集合）可能的未来天气场（集合成员）的预报方法。通过分析这些集合成员的统计特性（如概率分布），可以提供对预报不确定性的量化和评估。4.物理过程参数化：指在数值天气预报模式中，由于大气运动的尺度远小于模式网格的尺度，无法在模式中直接求解所有微小尺度上的物理过程（如云的形成和演变、降水过程、辐射传输、边界层过程等），而需要将其宏观效应用简化的数学方程或统计关系来代替或模拟的过程。这些简化的数学表示称为参数化方案。5.专业气象预报：指针对特定用户需求，预报未来某一特定地点或区域特定气象要素或天气现象的详细预报。它通常基于通用预报产品（如NWP输出），并结合当地地形、下垫面特征、特殊天气规律、统计方法或经验知识等进行订正和细化，以满足农业、水利、交通、航空、军事、旅游等不同领域的专业应用要求。四、简答题1.地面气象观测站的主要观测项目包括气温、气压、相对湿度、风向、风速、降水（雨量、雪量）、能见度、云量、云状、日照时数、蒸发量等。这些观测项目具有重要意义：气温反映大气的冷热状况；气压反映大气垂直运动趋势和系统性质；湿度是水汽供应和云雨形成的基础；风决定天气系统的移动方向和速度，并影响污染物扩散；降水是水资源的主要来源；能见度关系到交通运输安全；云是天气变化的重要象征；云量反映天空状况；日照时数影响植物生长和能源利用；蒸发量与水分循环密切相关。这些数据是分析天气形势、制作天气预报、气候研究以及服务社会生产生活的基础。2.雷达探测和卫星探测都是重要的遥感大气观测手段，但存在异同：*相同点：都是非接触式遥感探测技术，可提供大范围、连续的观测资料，是现代气象预报和气象学研究的重要工具。*不同点：①原理不同：雷达通过发射和接收电磁波探测目标回波，主要探测大气中的水汽粒子、云、降水等；卫星主要通过接收地球表面或大气本身发射/反射的电磁波（可见光、红外、微波）进行探测，可获取云图、地表温度、大气水汽分布、大气成分等信息。②探测内容侧重不同：雷达主要探测粒子性质（大小、浓度）和位置（通过多普勒还可以测速度），对降水定量估测能力较强；卫星覆盖范围更广，可提供宏观天气图、监测大范围云系和天气系统演变，对地表参数（温度、植被）观测也有优势。③时空分辨率不同：雷达通常有较高的时间分辨率和空间分辨率（尤其在近距离），但探测高度有限（主要在对流层）；卫星观测范围广，时间分辨率取决于轨道和重访周期，空间分辨率随传感器类型和观测高度变化，可探测整个大气层甚至近空间。④资料处理分析方式不同：雷达数据处理涉及波束形成、信号处理、质心计算、产品转换等；卫星数据处理则包括定标、大气订正、图像处理、参数反演等。3.数值天气预报（NWP）的基本工作流程通常包括以下步骤：①资料收集与预处理：从各种观测平台（地面站、探空、雷达、卫星等）获取实时大气数据，并进行质量控制、时空插值等预处理，形成覆盖全球或区域、时间连续的初始大气状态场。②资料同化：利用先进的数据同化技术，将预处理后的观测资料融入模式初始场中，得到一个既符合观测事实又满足物理规律的模式初始状态，这是NWP成功的关键。③模式积分：将包含动力学方程和物理过程参数化方案的模式程序输入计算机，以模式初始场为起点，按一定的时间步长进行数值积分，逐时逐刻地计算未来一段时间内大气各物理量（如风向风速、温度湿度、气压等）时空变化的过程。④后处理与产品输出：对模式积分输出的原始数据（格点上的气象要素场）进行加工处理，如计算各种诊断量（如降水量、温度露点差）、制作天气图、制作预报产品图（等值线图、填图）等，形成可供预报员使用和公众获取的最终预报产品。4.在天气预报业务中，利用天气图分析判断锋面系统主要依据以下特征：①等压线形态：锋面附近等压线通常密集，表明气压梯度力大，风力较强，风向随高度发生切变。冷锋过境时，等压线弯曲明显，向冷区一方凸出；暖锋过境时，等压线向暖区一方凸出。②等温线分布：锋面是冷暖气团的交界面。冷锋附近等温线密集且朝冷区方向弯曲，气温急剧下降；暖锋附近等温线稀疏，气温逐渐升高。副热带高压脊附近通常有下沉暖平流，等温线也较稀疏。③气压梯度：锋面是气压系统的过渡带。冷锋和暖锋过境时，气压常有明显的升降变化。④风场特征：冷锋过境时，风向通常有突然转变，风速增大；暖锋过境时，风向转变较平缓，风速可能减小。⑤其他辅助判据：在地面天气图上，冷锋常伴有低压系统，暖锋常与高压脊联系；在卫星云图上，冷锋常伴有云带（呈白带状），暖锋云带呈灰色或碎积云状，有时有雾或毛毛雨。通过综合分析这些天气图要素场的分布特征，预报员可以确定锋面的位置、移动速度、强度和性质，进而预测其未来发展和带来的天气变化。五、论述题1.大气探测技术是气象学的基础，也是气象预报得以实现的前提和关键。其重要作用体现在：①提供预报所需的初始场：所有数值天气预报模式都需要精确的初始大气状态才能进行模拟。这依赖于地面观测站网、探空（气象火箭和探空气球）、气象雷达、气象卫星等综合观测系统提供的全面、准确、高时空分辨率的大气廓线资料和数据。②提供预报验证和订正依据：预报效果需要通过实况观测进行检验。同时，将实况信息反馈给模式，可以改进数据同化方法和模式本身，提高预报精度。③支撑多种预报方法：无论是基于模式输出的客观预报（如统计插值、MOS），还是基于天气图分析的天气学预报，乃至基于经验规则的预报，都离不开大气探测技术提供的信息支持。④监测特定天气现象：针对台风、暴雨、寒潮、大雾等灾害性天气，需要利用雷达、卫星、风廓线雷达、激光雷达等专项探测设备进行高分辨率、高精度的监测，为预报预警提供关键依据。⑤服务于专业气象预报：农业气象需要作物冠层温度、土壤湿度等；航空气象需要高空风场、结冰条件等；水文气象需要降水、蒸发等。这些专业领域的信息主要依赖地基遥感（如微波辐射计、散射计）、空基遥感（如机载雷达、卫星）和专门的探测仪器获取。面临的挑战包括：①观测资料的时空分辨率和覆盖范围仍需提升：尤其对于小尺度、短时强降水、强对流等灾害天气，观测能力仍有不足。②观测资料的融合与同化技术复杂：如何有效融合来自不同平台、不同类型、不同时空分辨率的观测数据，生成最优的初始场，仍是研究热点。③探测技术的成本与维护：先进的探测设备通常成本高昂，需要持续的资金投入和维护保障。④气候变化对观测的影响：极端天气事件增多可能对观测设施造成破坏，气候变化本身也可能影响某些观测物理量（如水汽含量）的代表性。未来需要发展更智能、更高效、更经济的观测网络和探测技术。2.数值天气预报（NWP）是现代天气预报的核心技术，在现代天气预报业务中发挥着不可替代的作用。其应用体现在：①提供全球和区域性的天气预报：NWP模式能够模拟从地面到平流层、覆盖全球或特定区域的大气运动和变化过程，提供从短期（几小时到几天）到中长期（几周甚至几个月）的天气预报产品，包括常规气象要素（温度、降水、风等）和灾害性天气预警信息。②支撑精细化预报：通过嵌套网格技术或区域模式，可以制作出更高空间分辨率（公里级甚至百米级）的预报，