2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——行星大氣動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.在球坐標(biāo)下構(gòu)建行星全球大氣模型時(shí)，計(jì)算經(jīng)向平均量通常需要用到哪個(gè)積分？A.對(duì)半徑的積分B.對(duì)緯度的積分C.對(duì)經(jīng)度的積分D.對(duì)時(shí)間的積分2.對(duì)于行星大氣的輻射傳輸模型，下列哪一項(xiàng)通常不計(jì)入其能量平衡方程？A.太陽(yáng)短波輻射吸收B.大氣逆輻射C.大氣顯輻射D.地面有效輻射3.行星大氣動(dòng)力學(xué)模型中，科里奧利參數(shù)f的方向取決于：A.行星自轉(zhuǎn)方向和緯度B.大氣風(fēng)速和高度C.輻射加熱率和海拔D.大氣成分和溫度4.在有限差分方法中，為了保證數(shù)值解的穩(wěn)定性，時(shí)間步長(zhǎng)Δt的選擇通常受限于：A.空間步長(zhǎng)Δx和聲速cB.空間步長(zhǎng)Δy和風(fēng)速u(mài)C.空間步長(zhǎng)Δz和重力加速度gD.湍流擴(kuò)散系數(shù)K和緯度5.行星邊界層模型與行星尺度的自由大氣模型的主要區(qū)別通常在于：A.是否考慮輻射過(guò)程B.是否考慮科里奧利力C.水平尺度的差異D.時(shí)間積分精度的要求6.在行星大氣模型中，吸收系數(shù)α主要與以下哪個(gè)因素相關(guān)？A.大氣壓力B.大氣溫度C.大氣成分D.輻射波長(zhǎng)7.對(duì)于模擬火星大氣環(huán)流，以下哪個(gè)物理過(guò)程是必須仔細(xì)考慮的？A.大氣中的甲烷循環(huán)B.全球性的水汽凝結(jié)C.強(qiáng)烈的極地渦旋D.平流層臭氧層的破壞8.行星尺度波（如Rossby波）的色散關(guān)系表明其相速度隨：A.波數(shù)增加而增加B.波數(shù)增加而減小C.波數(shù)增加先增加后減小D.波數(shù)無(wú)關(guān)9.如果一個(gè)大氣動(dòng)力學(xué)模型在模擬中表現(xiàn)出不合理的溫度極差，最可能的原因是：A.輻射參數(shù)化方案錯(cuò)誤B.邊界條件設(shè)置不當(dāng)C.數(shù)值格式導(dǎo)致數(shù)值擴(kuò)散過(guò)度D.行星自轉(zhuǎn)速度輸入錯(cuò)誤10.在比較不同行星大氣動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，以下哪個(gè)指標(biāo)通常不被優(yōu)先考慮？A.模型的物理基礎(chǔ)是否合理B.模型的計(jì)算效率C.模型對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度D.模型的代碼是否開(kāi)源二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線處。每空2分，共20分）1.在行星大氣動(dòng)力學(xué)控制方程中，描述動(dòng)量變化的主要項(xiàng)除了氣壓梯度力和摩擦力外，還有________和________。2.行星大氣的熱力學(xué)圖（如T-S圖）中，干絕熱遞減率是指干空氣在絕熱過(guò)程中，溫度隨________的變化率。3.輻射傳輸模型中，求解大氣光學(xué)厚度τ通常采用________算法或________算法。4.在球坐標(biāo)系下，水平風(fēng)場(chǎng)通常用三個(gè)分量表示：經(jīng)向風(fēng)________，緯向風(fēng)________，垂直風(fēng)________。5.云的微物理參數(shù)化方案需要確定云的________，________，________等過(guò)程。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述在行星大氣模型中，如何處理頂邊界條件。2.解釋科里奧利參數(shù)對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)（特別是地轉(zhuǎn)風(fēng)）的影響。3.列舉行星大氣動(dòng)力學(xué)模型中常見(jiàn)的兩種參數(shù)化方案，并說(shuō)明其各自適用的物理過(guò)程。4.說(shuō)明什么是行星大氣的絕熱過(guò)程，并簡(jiǎn)述其基本條件。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的計(jì)算步驟和公式。每題8分，共16分）1.假設(shè)在一個(gè)簡(jiǎn)化的一維大氣模型中，只考慮水平氣壓梯度力和科里奧利力，且風(fēng)向與氣壓梯度力方向相反（地轉(zhuǎn)平衡）。已知某緯度上的水平氣壓梯度力為0.01N/m，科里奧利參數(shù)為0.0001s?1。求該緯度上的地轉(zhuǎn)風(fēng)速大?。僭O(shè)空氣密度為常數(shù)ρ=1kg/m3）。2.在一個(gè)簡(jiǎn)單的輻射傳輸模型中，假設(shè)大氣由單一吸光氣體組成，其光學(xué)厚度τ=3。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I?=1000W/m2。求該氣體層頂部的透過(guò)率T和到達(dá)該層底部的輻射強(qiáng)度I。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題。每題10分，共20分）1.論述在構(gòu)建行星大氣動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，選擇合適的坐標(biāo)系（如笛卡爾坐標(biāo)、球坐標(biāo)）需要考慮哪些因素？2.結(jié)合具體實(shí)例（可選），論述行星大氣動(dòng)力學(xué)模型在行星科學(xué)研究中的作用、局限性以及未來(lái)發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.A4.A5.C6.C7.C8.B9.B10.D二、填空題1.科里奧利力，摩擦力2.比濕（或水汽含量）3.累加（或向下的），辛普森（或向下的）4.u，v，w5.生成，增長(zhǎng)，消亡三、簡(jiǎn)答題1.頂邊界條件通常處理為絕熱邊界，即假設(shè)大氣頂部沒(méi)有熱量交換，或者設(shè)定一個(gè)固定的大氣溫度（如外太空的極低溫）。有時(shí)也采用輻射平衡條件，即規(guī)定頂部的凈輻射通量為零。對(duì)于水平方向，常采用周期性邊界條件或零梯度邊界條件。2.科里奧利力是地球（或其他自轉(zhuǎn)行星）表面運(yùn)動(dòng)物體受到的慣性力，它垂直于運(yùn)動(dòng)方向和自轉(zhuǎn)軸。在北半球，它使運(yùn)動(dòng)物體偏向右方；在南半球，偏向左方?？评飱W利力是地轉(zhuǎn)風(fēng)形成的原因，它平衡了水平氣壓梯度力，使得風(fēng)向與等壓線成一定角度偏轉(zhuǎn)。3.常見(jiàn)的參數(shù)化方案包括：輻射傳輸參數(shù)化（如使用查找表或簡(jiǎn)化的輻射傳遞方程）；云參數(shù)化（如云凝結(jié)核濃度、冰晶形成高度、云光學(xué)厚度等參數(shù)化）；湍流參數(shù)化（如Monin-Obukhov長(zhǎng)度尺度、湍流擴(kuò)散系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)公式）。前者適用于處理輻射與大氣的相互作用，后者適用于模擬大氣垂直混合過(guò)程。4.絕熱過(guò)程是指系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換的過(guò)程。在行星大氣中，絕熱過(guò)程發(fā)生在上升或下沉的氣團(tuán)內(nèi)部，當(dāng)氣團(tuán)上升時(shí)，外界對(duì)其做負(fù)功，內(nèi)能減少導(dǎo)致溫度下降；當(dāng)氣團(tuán)下沉?xí)r，氣團(tuán)對(duì)外界做正功，內(nèi)能增加導(dǎo)致溫度上升。理想絕熱過(guò)程遵循絕熱方程，非理想絕熱過(guò)程則伴隨有輻射交換或摩擦耗散。四、計(jì)算題1.解：地轉(zhuǎn)平衡時(shí)，水平氣壓梯度力G與科里奧利力Fc大小相等，方向相反。設(shè)地轉(zhuǎn)風(fēng)速為Vg，空氣密度為ρ，氣壓梯度力G=ρ*G_H，科里奧利參數(shù)為f。則Fc=2*f*Vg。平衡條件為ρ*G_H=2*f*Vg。解得Vg=ρ*G_H/(2*f)。代入數(shù)值：Vg=(1kg/m3)*(0.01N/m)/(2*0.0001s?1)=0.5m/s。地轉(zhuǎn)風(fēng)速大小為0.5m/s。2.解：透過(guò)率T定義為透過(guò)輻射強(qiáng)度I與入射輻射強(qiáng)度I?之比，即T=I/I?。根據(jù)比爾-朗伯定律，輻射強(qiáng)度通過(guò)光學(xué)厚度為τ的氣體層后衰減為e??，其中e是自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。因此，透過(guò)率T=e??。代入τ=3，得T=e?3≈0.0498。到達(dá)該層底部的輻射強(qiáng)度I=T*I?=0.0498*1000W/m2≈49.8W/m2。五、論述題1.選擇合適的坐標(biāo)系主要取決于模擬目標(biāo)和研究區(qū)域。球坐標(biāo)系（如經(jīng)緯度坐標(biāo)）天然適合模擬全球尺度的行星大氣環(huán)流，能夠方便地處理行星自轉(zhuǎn)和球?qū)ΨQ(chēng)的幾何特性。笛卡爾坐標(biāo)系（如南北東西高度坐標(biāo)）則更適合模擬行星局部區(qū)域或平頂?shù)匦胃浇拇髿膺^(guò)程，計(jì)算格式可能更簡(jiǎn)單。坐標(biāo)系的選取還需考慮物理量的表示形式（如水平風(fēng)速分量）、數(shù)值格式的穩(wěn)定性、計(jì)算效率以及邊界條件處理的復(fù)雜度。對(duì)于包含行星曲率效應(yīng)或需要精確追蹤經(jīng)向結(jié)構(gòu)的過(guò)程，球坐標(biāo)更優(yōu)；對(duì)于水平尺度遠(yuǎn)大于行星半徑的區(qū)域，笛卡爾坐標(biāo)可能更方便。2.行星大氣動(dòng)力學(xué)模型是研究行星大氣環(huán)流、天氣現(xiàn)象、氣候變化以及大氣與行星其他圈層（如固態(tài)表面、海洋、冰蓋）相互作用的關(guān)鍵工具。例如，通過(guò)模型可以模擬火星的沙塵暴、木星大紅斑的形成與維持、土衛(wèi)六甲烷大氣的環(huán)流結(jié)構(gòu)等。然而，模型存在局限性：一是參數(shù)化方案的不確定性，許多復(fù)雜物理過(guò)程（如云、湍流）難