2025年大学《气象技术与工程》专业题库- 大气物理模拟技术在气象学中的应用

2025年大学《气象技术与工程》专业题库——大气物理模拟技术在气象学中的应用考试时间：______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括号内）1.在大气物理模拟中，描述大气辐射传输过程的核心方程是？(A)热力学方程组(B)累积方程(C)辐射传输方程(D)容积含水量方程2.以下哪种数值格式通常被认为是无散的，并且在模拟可压缩流时具有较好的物理一致性？(A)有限差分格式(B)有限体积格式(C)有限元素格式(D)谱格式3.大气边界层中近地面层的湍流混合主要通过对流和哪种机制起作用？(A)辐射传导(B)分子扩散(C)湍流扩散(D)浴旋破裂4.在云物理模拟中，描述云滴增长的核心过程是？(A)凝华(B)液态水蒸发(C)水汽扩散(D)凝结增长5.以下哪款大气模型通常被认为是研究所需，而非业务预报系统？(A)WRF模型(B)GFS模型(C)MM5模型(D)ECMWF模型6.评估数值模拟结果准确性的一个重要指标是？(A)模拟模式的分辨率(B)模拟时间步长(C)均方根误差（RMSE）(D)模拟软件的内存需求7.大气辐射传输模拟中，需要考虑的主要路径是？(A)地表到卫星的路径(B)太阳到地面的路径(C)气象卫星到地面的路径(D)地面到平流层的路径8.数值模拟中，网格点上的物理量在时间上的更新通常采用哪种方法？(A)插值法(B)数值积分法(C)时间积分方案（如欧拉法、龙格-库塔法）(D)参数化方案9.大气中的水汽主要直接影响大气运动的物理过程是？(A)辐射过程(B)对流过程(C)湍流过程(D)以上都是10.将大尺度物理过程（如水汽输送）简化为依赖于小尺度变量（如下垫面温度）的函数的方法称为？(A)统计方法(B)参数化方法(C)半分析方法(D)数值方法二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.大气辐射模拟中，描述地表与大气相互作用的参数是__________。2.数值模拟中，为了保证稳定性，时间步长需要满足__________条件。3.云滴的凝结和蒸发过程主要受__________和__________的影响。4.大气边界层高度通常用__________廊线来表征。5.气象卫星的辐射定标是大气辐射模拟中__________的关键步骤。6.辐射传输模拟中，路径弯曲效应对__________波段的辐射影响显著。7.大气水汽含量可以通过模拟计算得到，其单位常用__________或__________表示。8.模拟结果的验证通常需要与观测数据进行__________和__________比较。9.云物理参数化方案的主要任务是模拟云中微物理过程，如__________、__________和降水形成。10.大气物理模拟技术的发展趋势包括更高的__________、更准确的__________和更复杂的应用场景。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述大气辐射传输模拟的主要步骤。2.解释大气物理模拟中参数化方案的作用及其面临的挑战。3.简述数值模拟在天气预报中对流云预报中的应用。4.说明大气物理模拟技术在空气质量研究中的主要应用方式。四、计算题（共15分）假设在一个简化的模拟区域中，某时刻地面气温为288K，大气水汽混合比值为0.01kg/kg，大气压力为1000hPa。请使用简化的辐射传输公式估算地表接收到的总太阳辐射量（假设太阳天顶角为30°，忽略大气散射），并说明计算中涉及的关键物理参数及其含义。已知斯武藩常数σ=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)，太阳常数S₀=1361W/m²，大气透明度τ=0.7。注意，此处要求进行简化估算，无需考虑复杂的辐射过程。五、论述题（共25分）论述大气物理模拟技术在气候变化研究中的作用、面临的挑战以及未来的发展方向。请结合具体的物理过程或模拟应用进行阐述。试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.D5.C6.C7.B8.C9.D10.B二、填空题1.地表反照率2.C冯·诺依曼（CFL）或稳定性3.水汽浓度（或水汽压）、温度4.梯度5.定量化6.中红外7.克分子数、混合比8.统计、定性9.凝华、凝结增长（或冰晶增长）10.分辨率、物理过程参数化三、简答题1.解析思路：回答辐射传输模拟的基本流程。首先需要设定模拟区域和边界条件。然后定义光源（如太阳）参数。接着，设定大气组成（气体分子、气溶胶等）及其参数。选择合适的辐射传输模型（如Beer-Lambert定律或更复杂的模型）。进行积分计算，求解辐射在不同路径上的吸收、散射和透射。最后，输出计算得到的辐射场分布（如地表、大气不同层级的辐射值）。步骤需包含设定、建模、计算、输出。2.解析思路：解释参数化方案的定义和目的。说明其在模拟中是将大尺度上不可解的小尺度过程（如云微物理）用简化的数学函数表示，以连接大尺度模式与局地过程。强调其作用是使模式能够模拟出包含这些微物理过程的影响。接着，阐述挑战：参数化方案依赖于参数化系数，这些系数往往基于有限的观测和理论，存在不确定性；参数化方案本身的简化会引入误差；参数化方案对不同尺度和条件的适用性有限。3.解析思路：说明对流云模拟的关键在于准确捕捉其快速发展和释放潜热的特性。解释模拟如何通过网格点上的温度、水汽、水凝物的变化来体现对流的发生和发展。指出模拟中需要考虑的对流触发机制（如抬升凝结高度）、对流组织结构和强度等。强调模拟结果可用于预报对流云的位置、强度、伴随的降水和恶劣天气（如雷暴）。简述其对短临预报的重要性。4.解析思路：阐述大气物理模拟技术如何支持空气质量研究。说明模拟可以用于预报污染物（如O₃,PM₂.₅）的浓度分布和迁移输送。可以模拟特定污染事件的形成机制和演变过程。可用于评估不同下垫面（如城市、工业区）或气象条件（如逆温层）对空气质量的影响。还可以结合排放清单，研究不同源对空气质量的影响程度，为制定空气质量管理策略提供科学依据。四、计算题解析思路：首先明确题目要求进行简化估算。根据题意，总太阳辐射量Q可以用太阳常数S₀乘以大气透明度τ来估算，即Q=S₀×τ。将给定数值代入公式：Q=1361W/m²×0.7=952.7W/m²。然后，解释计算中涉及的关键物理参数：太阳常数S₀是指到达地球大气层顶部的太阳辐射强度；大气透明度τ是指大气对太阳辐射的透过能力，值越小表示大气吸收散射越强；地表温度T是影响地表发射辐射的参数（在此简化计算中未直接用于计算入射辐射）；大气水汽混合比V是影响大气吸收（特别是红外辐射）的参数（在此简化计算中未直接用于计算入射辐射）；大气压力P与τ有关，但在此简化公式中未体现。最后，指出此计算非常粗略，未考虑太阳天顶角的影响和大气本身对可见光的吸收散射。五、论述题解析思路：从宏观和微观角度论述。首先，说明大气物理模拟技术（如全球或区域气候模型GCMs/RCMs）是研究气候变化的主要工具，能够模拟过去、现在和未来的气候变化情景，揭示气候变化的驱动因素（如温室气体排放、自然强迫）、时空分布特征和趋势。其次，指出其在气候变化研究面临的挑战：模型对某些物理过程（如云、冰雪圈）