2025年大學(xué)《信息與計算科學(xué)》專業(yè)題庫——計算科學(xué)對氣象預(yù)報的改進考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）的基本思想及其對計算科學(xué)提出的核心挑戰(zhàn)。二、比較有限差分法、有限體積法和譜方法在數(shù)值天氣預(yù)報模式中應(yīng)用時的主要優(yōu)缺點。三、解釋什么是CFL條件，并說明其在NWP模式時間積分中的重要性。四、描述高性能計算在運行大型數(shù)值天氣預(yù)報模式中扮演的關(guān)鍵角色，并舉例說明并行計算技術(shù)如何提升計算效率。五、大氣觀測數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報中起著至關(guān)重要的作用。簡述數(shù)據(jù)同化的基本原理，并說明其如何改進初始場的質(zhì)量。六、闡述機器學(xué)習(xí)技術(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機）在氣象預(yù)報領(lǐng)域可以應(yīng)用的幾個方面，并分析其相對于傳統(tǒng)數(shù)值模式的優(yōu)勢。七、當(dāng)前數(shù)值天氣預(yù)報模式在分辨率和物理過程描述方面仍面臨挑戰(zhàn)。請分析至少兩個主要的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的改進思路或研究方向。八、結(jié)合計算科學(xué)的發(fā)展，論述其對提升極端天氣（如臺風(fēng)、暴雨）預(yù)報能力產(chǎn)生的具體影響。試卷答案一、數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）的基本思想是：利用計算機對描述大氣運動的基本方程（如流體力學(xué)方程、熱力學(xué)方程）進行數(shù)值積分，根據(jù)當(dāng)前的觀測資料確定大氣的初始狀態(tài)，然后預(yù)報未來一段時間內(nèi)大氣狀態(tài)的變化。這對計算科學(xué)提出的核心挑戰(zhàn)包括：海量數(shù)據(jù)的處理與存儲、復(fù)雜偏微分方程組的求解、保證計算結(jié)果的數(shù)值穩(wěn)定性與精度、以及需要強大的計算資源支持高分辨率、長時間積分。二、有限差分法優(yōu)點是原理簡單、易于實現(xiàn)；缺點是精度通常較低，尤其在高階導(dǎo)數(shù)處，且容易產(chǎn)生數(shù)值擴散或振蕩。有限體積法優(yōu)點是滿足守恒性，精度較高，且對網(wǎng)格剖分不敏感；缺點是格式推導(dǎo)相對復(fù)雜。譜方法優(yōu)點是精度高，收斂速度快，特別適合于處理具有光滑解的問題；缺點是通常需要結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對不規(guī)則區(qū)域處理困難，且在離散頻域時可能出現(xiàn)數(shù)值色散。三、CFL（Courant–Friedrichs–Lewy）條件是一個判斷數(shù)值格式穩(wěn)定性的必要條件，它規(guī)定了時間步長Δt、空間步長Δx（或Δy,Δz）以及波速c之間的關(guān)系，通常表示為Δt≤(Δx/c)*(1+Δy/c+Δz/c)。其重要性在于，只有滿足CFL條件，數(shù)值解才能保持穩(wěn)定，否則會出現(xiàn)震蕩甚至發(fā)散，使得預(yù)報結(jié)果不可信。該條件直接限制了數(shù)值天氣預(yù)報中可使用的時間步長，尤其是在網(wǎng)格較細(xì)（Δx減?。r，允許的時間步長Δt也必須減小，從而增加了計算時間。四、高性能計算為運行需要處理海量數(shù)據(jù)、進行復(fù)雜計算的數(shù)值天氣預(yù)報模式提供了必要的計算能力。大型NWP模式涉及數(shù)十億甚至上萬億個格點，時間積分步長又需非常小，使得總計算量極其龐大。并行計算技術(shù)通過將計算任務(wù)分配到多個處理器上同時執(zhí)行，極大地縮短了模式運行時間。例如，使用MPI（消息傳遞接口）實現(xiàn)進程間的數(shù)據(jù)通信和任務(wù)調(diào)度，可以在共享內(nèi)存或分布式內(nèi)存系統(tǒng)上構(gòu)建并行NWP模型，實現(xiàn)計算資源的有效利用和計算效率的顯著提升。五、數(shù)據(jù)同化的基本原理是將觀測信息融入數(shù)值預(yù)報模式中，以修正模式初始場或邊界條件，使其更接近真實大氣狀態(tài)。其過程通常涉及兩個步驟：一是利用統(tǒng)計或概率方法（如集合卡爾曼濾波、變分同化）計算觀測對模式狀態(tài)的最佳修正量；二是將這個修正量施加到模式初始場上。通過數(shù)據(jù)同化，可以有效利用觀測資料來克服模式初始誤差和參數(shù)化誤差，從而顯著提高后續(xù)預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性。六、機器學(xué)習(xí)技術(shù)在氣象預(yù)報領(lǐng)域可應(yīng)用在：1）模式誤差訂正：利用歷史資料訓(xùn)練模型，預(yù)測數(shù)值模式預(yù)報場與實況場之間的偏差，對模式輸出進行修正；2）數(shù)據(jù)插值與融合：處理不規(guī)則分布的觀測數(shù)據(jù)，或?qū)⒍喾N來源的數(shù)據(jù)融合成統(tǒng)一的分析場；3）極端天氣預(yù)警：基于歷史極端天氣事件數(shù)據(jù)，識別危險模式態(tài)，進行早期預(yù)警；4）降尺度預(yù)測：將氣候模型或大尺度模式輸出降尺度到區(qū)域或局地尺度。其優(yōu)勢在于能夠從復(fù)雜非線性關(guān)系中學(xué)習(xí)規(guī)律，有時能捕捉到傳統(tǒng)統(tǒng)計方法或數(shù)值模式難以描述的物理機制，且在處理某些特定任務(wù)（如分類、回歸）時可能達到更高精度。七、數(shù)值天氣預(yù)報模式面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1）分辨率與計算資源的矛盾：更高分辨率可以提供更精細(xì)的天氣現(xiàn)象描述，但計算量呈指數(shù)級增長，對計算資源需求巨大，現(xiàn)有硬件難以支撐全球高分辨率實時預(yù)報；改進思路可考慮發(fā)展更高效的數(shù)值格式、算法，或利用人工智能加速部分計算環(huán)節(jié)。2）物理過程參數(shù)化的局限性：模式中包含的許多物理過程（如云、降水、輻射）難以完全精確地用數(shù)學(xué)公式描述，參數(shù)化方案存在不確定性，影響預(yù)報精度；改進方向是發(fā)展基于觀測和理論的、更先進的參數(shù)化方案，或利用數(shù)據(jù)同化、機器學(xué)習(xí)進行參數(shù)化訂正。八、計算科學(xué)的發(fā)展對提升極端天氣預(yù)報能力產(chǎn)生了多方面具體影響：1）更高分辨率模式的應(yīng)用使得預(yù)報系統(tǒng)可以捕捉到極端天氣事件（如臺風(fēng)眼結(jié)構(gòu)、強對流風(fēng)暴單體）的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提高了預(yù)報的時空分辨率和定位精度；2）更強大的計算能力使得對極端事件發(fā)展演變進行更長時間、更精細(xì)的集成預(yù)報成為可能；3）改進的物理參數(shù)化方案和數(shù)據(jù)同化技術(shù)有助于更準(zhǔn)確地模擬極端事件的觸