2025年大气辐射考试试题及答案

2025年大气辐射考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.若某黑体表面温度为300K，根据普朗克定律，其辐射峰值波长最接近以下哪个数值？（已知维恩位移常数b=2.898×10⁻³m·K）A.4.8μmB.9.6μmC.15.2μmD.20.1μm2.可见光波段（0.4-0.7μm）在大气中发生散射时，若粒子半径r与波长λ满足r<<λ（如空气分子），主要散射类型为？A.米散射B.瑞利散射C.无选择性散射D.漫反射3.大气中臭氧（O₃）对太阳辐射的最强吸收发生在哪个波段？A.紫外B段（280-320nm）B.可见光段（400-700nm）C.近红外段（700-2500nm）D.远红外段（8-14μm）4.假设某气层的吸收系数为k，密度为ρ，厚度为Δz，则该气层的光学厚度τ可表示为？A.τ=kρΔzB.τ=k/ρΔzC.τ=ρΔz/kD.τ=kΔz/ρ5.以下哪种气体对地球大气红外辐射（4-100μm）的吸收贡献最小？A.水蒸气（H₂O）B.二氧化碳（CO₂）C.氧气（O₂）D.甲烷（CH₄）6.若某时刻到达地表的太阳直接辐射为S₀，经大气散射后到达地表的散射辐射为S_d，则地表总辐射Q等于？A.Q=S₀+S_dB.Q=S₀-S_dC.Q=S₀×S_dD.Q=S₀/S_d7.大气逆辐射是指？A.地面向上发射的长波辐射B.大气向宇宙空间发射的长波辐射C.大气向地面发射的长波辐射D.太阳辐射经大气反射回宇宙的部分8.若某行星的反照率为α，太阳常数为S₀，行星半径为R，其有效辐射温度T_e满足的能量平衡方程为？（σ为斯特藩-玻尔兹曼常数）A.(1-α)πR²S₀=4πR²σT_e⁴B.(1+α)πR²S₀=4πR²σT_e⁴C.(1-α)4πR²S₀=πR²σT_e⁴D.(1+α)4πR²S₀=πR²σT_e⁴9.大气窗区（8-12μm）对气候系统的重要意义在于？A.该波段大气吸收强烈，可有效保温B.该波段大气吸收微弱，地表长波辐射可直接逸散至太空C.该波段是太阳辐射的主要能量集中区D.该波段是臭氧的主要吸收区10.以下哪种过程会导致大气的净辐射冷却？A.大气吸收太阳短波辐射B.大气吸收地面长波辐射C.大气向宇宙发射长波辐射大于吸收的长波辐射D.大气散射太阳辐射至地面二、填空题（每空2分，共20分）1.黑体辐射的光谱辐射出射度由________定律描述，其积分总辐射出射度与温度的四次方成正比，遵循________定律。2.大气对太阳辐射的衰减主要通过________和________两种过程，其中________过程会改变辐射方向但不消耗能量。3.地球大气的主要温室气体包括水蒸气、二氧化碳、________和________（任填两种）。4.太阳常数的标准值约为________W/m²（保留整数），其定义为________时，垂直于太阳光线的单位面积上接收的太阳辐射通量。5.红外辐射在大气中传输时，________（气体）的吸收带覆盖了6.3μm附近的强吸收区，而________（气体）在15μm处有特征吸收带。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述瑞利散射与米散射的主要区别，并举出大气中典型的发生场景。2.说明二氧化碳（CO₂）对大气辐射平衡的影响机制，需结合其吸收波段与辐射传输过程。3.推导行星有效辐射温度的计算公式，并解释其物理意义。4.分析大气窗区（8-12μm）的形成原因及其对地表能量平衡的影响。5.描述太阳辐射从大气顶到达地表的主要衰减过程，并说明各过程的主导大气成分。四、论述题（每题10分，共20分）1.结合辐射传输理论，论述全球变暖的主要物理机制，需涉及温室气体的作用、辐射收支变化及反馈过程。2.从辐射平衡角度分析青藏高原“冷源”效应的形成原因，需考虑高原海拔、大气厚度、地表反照率及长波辐射特征。参考答案一、单项选择题1.B（λ_max=b/T=2.898×10⁻³/300≈9.66×10⁻⁶m=9.66μm）2.B（瑞利散射条件为r<<λ，空气分子符合此条件）3.A（臭氧主要吸收紫外B段和C段，其中280-320nm为UV-B强吸收区）4.A（光学厚度τ=∫kρdz，当气层均匀时τ=kρΔz）5.C（O₂主要吸收紫外段，对红外辐射吸收极弱）6.A（总辐射=直接辐射+散射辐射）7.C（大气逆辐射是大气向下发射的长波辐射）8.A（行星吸收的太阳辐射=(1-α)πR²S₀，发射的长波辐射=4πR²σT_e⁴，平衡时两者相等）9.B（窗区波段大气吸收弱，地表长波可直接逸散）10.C（净冷却即发射>吸收）二、填空题1.普朗克；斯特藩-玻尔兹曼2.吸收；散射；散射3.甲烷（CH₄）；一氧化二氮（N₂O）（或臭氧、氟利昂等）4.1361；日地平均距离5.水蒸气（H₂O）；二氧化碳（CO₂）三、简答题1.瑞利散射与米散射的区别：-粒子大小：瑞利散射发生在粒子半径r<<λ（如空气分子，r≈0.1nm，λ≈500nm）；米散射发生在r与λ同量级（如云雾滴，r≈1-10μm，λ≈0.5μm）。-散射特征：瑞利散射强度与λ⁻⁴成正比，短波（蓝紫光）散射更强（如天空呈蓝色）；米散射无明显波长依赖性，各波段散射强度相近（如云雾呈白色）。-方向性：瑞利散射对称分布（前后向散射接近）；米散射前向散射显著增强。2.CO₂对辐射平衡的影响机制：CO₂主要吸收红外波段（尤其是15μm中心的吸收带）。地面发射长波辐射（峰值约10μm）时，部分辐射被CO₂分子吸收，使大气增温；大气吸收能量后以长波形式向各方向发射辐射，其中向下的部分（大气逆辐射）返回地面，减少地表能量损失。当CO₂浓度增加时，其吸收带宽度扩展，更多地表长波辐射被截获，大气和地面接收的逆辐射增强，导致系统能量净收入增加，平衡温度升高（温室效应）。3.行星有效辐射温度推导：行星吸收的太阳辐射能量=入射太阳辐射×(1-反照率)×行星截面积，即(1-α)(πR²)S₀；行星发射的长波辐射能量=斯特藩-玻尔兹曼定律×行星表面积，即4πR²σT_e⁴；能量平衡时：(1-α)πR²S₀=4πR²σT_e⁴；化简得：T_e=[(1-α)S₀/(4σ)]^(1/4)。物理意义：T_e是行星作为黑体时的等效辐射温度，反映行星通过长波辐射与吸收太阳辐射达到平衡的温度状态。4.大气窗区的形成及影响：形成原因：8-12μm波段内，大气主要成分（H₂O、CO₂、O₃等）的吸收带在此区域存在“空隙”。例如，H₂O的强吸收带在6.3μm和18μm以上，CO₂在15μm，O₃在9.6μm，这些吸收带未完全覆盖8-12μm，因此该波段大气吸收系数极低，地表长波辐射可直接穿过大气逸散至太空。对地表能量平衡的影响：窗区是地表向太空释放长波辐射的主要通道。若窗区被其他气体（如新增的温室气体）覆盖，地表辐射逸散减少，可能导致地表增温；反之，窗区畅通时，地表可有效冷却。5.太阳辐射的衰减过程及主导成分：-吸收：紫外段（<0.2μm）主要被O₃吸收；0.2-0.3μm被O₂和O₃吸收；可见光段（0.4-0.7μm）主要被大气中少量的O₃、H₂O和尘埃吸收；近红外段（0.7-4μm）被H₂O、CO₂吸收。-散射：瑞利散射（空气分子）主导0.4-0.7μm，导致天空呈蓝色；米散射（云雾滴、气溶胶）主导0.7-10μm，无波长选择性。-反射：主要由云（反照率约50-90%）和地表（如冰雪反照率高）完成，但反射属于能量重新分配，不直接衰减到达地表的辐射。四、论述题1.全球变暖的辐射传输机制：全球变暖的核心是大气辐射收支失衡，表现为系统净吸收能量增加。-温室气体的作用：CO₂、CH₄等温室气体在红外波段（如CO₂的15μm带、CH₄的7.7μm带）有强吸收。地表发射的长波辐射（峰值~10μm）部分被这些气体吸收，大气因吸收能量而增温，并向各方向发射长波辐射。其中向下的大气逆辐射增强，地表接收的长波辐射增加，减少了地表能量损失。-辐射收支变化：工业革命以来，温室气体浓度上升（如CO₂从280ppm增至420ppm），其吸收带宽度扩展（“增宽效应”），更多原本通过大气窗区逸散的长波辐射被截获，导致大气顶的长波射出辐射（OLR）减少。同时，太阳短波辐射（SWR）的吸收变化较小（仅O₃等有部分吸收），因此系统净辐射（SWR吸收-OLR）由负转正或更正，能量积累。-反馈过程：正反馈如“水汽反馈”——大气增温使饱和水汽压上升，H₂O含量增加（H₂O是最主要温室气体），进一步增强温室效应；“海冰反照率反馈”——极地升温导致海冰融化，地表反照率降低，吸收更多太阳辐射。负反馈如“云反馈”（存在不确定性）——高云增多可能增强温室效应（长波吸收），低云增多可能增强反射（短波冷却）。2.青藏高原“冷源”效应的辐射平衡分析：-海拔与大气厚度：高原平均海拔4000m以上，大气柱质量仅为同纬度低海拔地区的60%，大气对太阳辐射的削弱（吸收、散射）减少，到达地表的太阳辐射更强（年总辐射约7000MJ/m²，高于东部平原）。但同时，大气中H₂O、CO₂等温室气体含量低，大气逆辐射弱（约200-250W/m²，低于东部300-350W/m²）。-地表反照率：高原地表以草甸、荒漠为主，部分区域有冰川积雪（反照率可达50-80%），远高于低海拔森林（反照率约10-20%）。高反照率导致地表吸收的太阳辐射减少（净短波辐射=SWR×(1-α)）。-长波辐射特征：高原地表温度较低