(2025年)大气辐射考试题库及答案

(2025年)大气辐射考试题库及答案一、单项选择题（每题2分，共40分）1.黑体辐射的光谱辐射出射度峰值对应的波长与温度的关系遵循（）A.普朗克定律B.维恩位移定律C.斯忒藩-玻尔兹曼定律D.基尔霍夫定律答案：B2.大气对太阳辐射的主要散射类型中，当粒子直径远小于入射波长时发生（）A.瑞利散射B.米散射C.无选择性散射D.拉曼散射答案：A3.以下气体中，对4.3μm波段红外辐射吸收最强的是（）A.H₂OB.CO₂C.O₃D.CH₄答案：B4.地球大气的有效辐射温度约为（）A.255KB.288KC.300KD.220K答案：A5.卫星遥感中常用的"大气窗口"2.0-2.5μm波段主要避开了（）的吸收A.水汽B.二氧化碳C.臭氧D.氧气答案：A6.计算大气辐射传输时，二流近似假设辐射场仅包含（）A.向上和向下两个方向B.前向和后向散射C.直射和漫射D.可见光和红外答案：A7.地表长波辐射的主要吸收气体是（）A.N₂B.O₂C.H₂OD.Ar答案：C8.太阳常数的最新观测值（2023年更新）约为（）A.1360W/m²B.1361W/m²C.1362W/m²D.1363W/m²答案：B（注：根据2023年TSIS-1卫星观测数据修正值）9.大气气溶胶的散射效率因子Q_sca与（）直接相关A.粒子折射率B.粒子数浓度C.大气压力D.相对湿度答案：A10.温室效应的本质是（）A.大气对太阳辐射的吸收B.大气对长波辐射的选择性吸收C.地表反射率增加D.云量增多答案：B11.计算黑体在500K时的辐射出射度，应使用（）A.普朗克公式积分B.斯忒藩-玻尔兹曼定律C.维恩公式D.基尔霍夫定律答案：B12.以下波段中，属于地球长波辐射主要发射区间的是（）A.0.2-4μmB.4-100μmC.100-1000μmD.0.1-0.4μm答案：B13.大气中臭氧（O₃）的主要吸收波段是（）A.0.2-0.3μm（UVB/UVC）B.0.4-0.7μm（可见光）C.2-5μm（红外）D.10-12μm（远红外）答案：A14.辐射传输方程中的源函数S(τ)在局地热力学平衡（LTE）条件下等于（）A.普朗克函数B(λ,T)B.大气温度TC.散射系数βD.消光系数α答案：A15.计算大气透过率时，若路径上某气体的光学厚度为2，则透过率约为（）A.13.5%B.36.8%C.63.2%D.86.5%答案：A（公式：τ=2，透过率=e^-τ≈0.135）16.地表反照率的定义是（）A.地表吸收的太阳辐射/入射太阳辐射B.地表反射的太阳辐射/入射太阳辐射C.地表发射的长波辐射/黑体辐射D.大气逆辐射/地表长波辐射答案：B17.以下哪种云对太阳辐射的反射率最高（）A.卷云（薄高层云）B.积雨云（深厚对流云）C.层云（低云）D.高积云（中云）答案：B18.大气辐射传输模式中，逐线积分（LBL）方法的主要特点是（）A.计算速度快B.精度高但计算量大C.仅适用于可见光波段D.忽略散射作用答案：B19.2023年观测数据显示，全球平均大气柱水汽含量约为（）A.10mmB.25mmC.50mmD.75mm答案：B（根据全球气候观测系统2023年度报告）20.当大气中CO₂浓度从400ppm增加到500ppm时，其红外吸收带的变化趋势是（）A.吸收强度线性增加B.吸收强度饱和效应增强C.吸收波段向短波移动D.吸收效率显著降低答案：B二、填空题（每空1分，共20分）1.普朗克函数的表达式为B(λ,T)=______（写出公式）。答案：(2hc²/λ⁵)/(exp(hc/λkT)-1)（h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数）2.大气对太阳辐射的削弱作用包括吸收、散射和______。答案：反射3.表征大气辐射特性的三个基本参数是吸收系数、散射系数和______。答案：消光系数（或衰减系数）4.地球辐射平衡要求入射太阳辐射通量等于______。答案：地球-大气系统的长波辐射出射通量5.米散射发生在粒子直径与入射波长______（填"相当"或"远小于"或"远大于"）的情况下。答案：相当6.大气中的主要温室气体除了CO₂、H₂O外，还有______和______（任写两种）。答案：CH₄（甲烷）、N₂O（氧化亚氮）（或O₃、CFCs等）7.斯忒藩-玻尔兹曼定律的表达式为M=______，其中σ的数值约为______。答案：σT⁴；5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)8.辐射传输方程的微分形式为dI(τ)/dτ=______。答案：I(τ)-S(τ)（I为辐射强度，S为源函数，τ为光学厚度）9.大气窗口在红外波段主要包括8-12μm（窗区）和______（任写一个）。答案：3-5μm（或1.5-1.7μm等其他常见窗口）10.气溶胶的单次散射反照率定义为______与______的比值。答案：散射系数；消光系数（或散射系数/(吸收系数+散射系数)）11.地表长波辐射的计算公式为M=______（考虑地表比辐射率ε）。答案：εσT_s⁴（T_s为地表温度）12.大气逆辐射是指大气向______发射的长波辐射。答案：地表（或向下）13.计算大气光学厚度时，若某气体的吸收系数为k，路径长度为L，则光学厚度τ=______。答案：kL（若考虑垂直路径需乘以空气质量数）14.太阳辐射的峰值波长约为______μm（取两位有效数字）。答案：0.5（根据维恩位移定律，T≈5800K，λ_max≈2898/5800≈0.5μm）15.云的辐射强迫分为______强迫和长波强迫，两者的综合效应取决于云的性质。答案：短波三、简答题（每题6分，共30分）1.简述瑞利散射与米散射的主要区别。答案：瑞利散射发生在粒子直径d远小于入射波长λ（d<<λ）时，散射强度与λ⁻⁴成正比，具有明显的波长依赖性（如天空呈蓝色）；散射相函数对称，前向与后向散射强度相近。米散射发生在d与λ相当（d≈λ）时，散射强度与波长关系复杂，前向散射显著增强（如雾天能见度低）；散射相函数不对称，前向散射占主导。2.说明温室效应的物理机制，并列举三种主要温室气体。答案：温室效应机制：地表吸收太阳短波辐射增温后发射长波辐射（4-100μm），大气中的温室气体（如H₂O、CO₂、CH₄等）对长波辐射有强烈吸收作用，吸收的能量通过大气辐射重新向各方向发射，其中向下的部分（大气逆辐射）返回地表，减少地表能量损失，导致地表温度高于无大气时的平衡温度。主要温室气体：水汽（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）。3.解释大气窗口的概念及其在遥感中的应用。答案：大气窗口指大气对电磁辐射吸收较弱、透过率较高的波段区间。这些波段因大气成分（如H₂O、CO₂、O₃）的吸收线主要分布在其他波段而形成"窗口"。例如：0.3-1.3μm（可见光-近红外）用于地表反射观测；3-5μm（中红外）用于高温目标（如火灾）探测；8-12μm（热红外）用于地表温度反演。遥感通过选择大气窗口波段，可有效接收地物辐射或反射信号，减少大气衰减的影响。4.比较太阳辐射与地球辐射的主要差异（至少列出三点）。答案：①波长范围：太阳辐射主要集中在0.15-4μm（短波），峰值约0.5μm；地球辐射集中在4-100μm（长波），峰值约10μm。②温度特征：太阳辐射相当于5800K黑体辐射，地球辐射相当于255K黑体辐射。③主要相互作用：太阳辐射与大气的作用以散射为主（如瑞利散射）；地球辐射与大气的作用以吸收为主（温室气体吸收）。④能量来源：太阳辐射是外部能源，地球辐射是地表和大气的热辐射。5.简述辐射传输方程中光学厚度的物理意义，并说明其与大气消光系数的关系。答案：光学厚度τ是描述辐射在介质中传输时衰减程度的无量纲参数，定义为路径上消光系数的积分（τ=∫β(s)ds，s为路径长度）。物理意义：τ=1表示辐射强度因衰减减少到初始值的1/e（约36.8%）。消光系数β=吸收系数α+散射系数σ，是单位长度上的总衰减率。光学厚度反映了整个路径上的总衰减效果，β越大或路径越长，τ越大，辐射衰减越显著。四、计算题（每题10分，共30分）1.已知地表温度为298K，地表比辐射率ε=0.95，计算地表发射的长波辐射通量密度（结果保留两位小数）。解：根据斯忒藩-玻尔兹曼定律，地表长波辐射M=εσT⁴σ=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)，T=298KM=0.95×5.67×10⁻⁸×(298)⁴计算得：298⁴≈(300-2)⁴≈(300⁴)(1-8/300)≈8.1×10¹⁰×0.973≈7.88×10¹⁰M≈0.95×5.67×10⁻⁸×7.88×10¹⁰≈0.95×5.67×788≈0.95×4467.96≈4244.56W/m²？（此处计算错误，正确计算应为298⁴=298×298×298×298=88804×88804≈7.88×10⁹，实际正确计算：298K的四次方为298×298=88804，88804×298=26463592，26463592×298≈7.88×10⁹）正确计算：M=0.95×5.67e-8×(298)^4=0.95×5.67e-8×(298×298×298×298)=0.95×5.67e-8×(88804×88804)=0.95×5.67e-8×7.88e9≈0.95×5.67×78.8≈0.95×446≈423.7W/m²答案：约423.70W/m²2.某大气路径中，水汽的吸收系数为0.05km⁻¹，路径长度为10km，假设无散射，计算该路径的大气透过率。若同时存在气溶胶散射系数0.03km⁻¹，计算总透过率（结果保留三位有效数字）。解：①仅吸收时，消光系数β=吸收系数α=0.05km⁻¹光学厚度τ=α×L=0.05×10=0.5透过率T=e^-τ=e^-0.5≈0.6065≈0.607②存在散射时，β=α+σ=0.05+0.03=0.08km⁻¹τ=0.08×10=0.8T=e^-0.8≈0.4493≈0.449答案：仅吸收时0.607；总透过率0.4493.黑体A温度为6000K，黑体B温度为300K，计算：（1）两者的辐射峰值波长；（2）黑体A在0.5μm处的光谱辐射出射度与黑体B在10μm处的光谱辐射出射度的比值（已知h=6.626×10⁻³⁴J·s，c=3×10⁸m/s，k=1.38×10⁻²³J/K）。解：（1）根据维恩位移定律λ_max=b/T，b=2.898×10⁻³m·K黑体A：λ_maxA=2.898e-3/6000≈4.83×10⁻⁷m=0.483μm黑体B：λ_maxB=2.898e-3/300≈9.66×10⁻⁶m=9.66μm（2）普朗克函数B(λ,T)=2hc²/[λ⁵(exp(hc/λkT)-1)]计算B_A(0.5μm,6000K)和B_B(10μm,300K)的比值：hc/λkT对A：(6.626e-34×3e8)/(0.5e-6×1.38e-23×6000)=(1.9878e-25)/(4.14e-23)=≈0.00048≈0.0005（远小于1，exp(x)≈1+x）B_A≈2hc²/λ⁵×(1/(hc/λkT))=2kTc/λ⁴（当hc/λkT<<1时，瑞利-金斯近似）对B：hc/λkT=(6.626e-34×3e8)