2025年大學(xué)《地球系統(tǒng)科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——地球系統(tǒng)綜合模擬與預(yù)測(cè)技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.簡(jiǎn)述地球系統(tǒng)綜合模擬的概念及其主要特點(diǎn)。2.比較數(shù)據(jù)同化與前向模擬在改進(jìn)地球系統(tǒng)模型狀態(tài)估計(jì)方面的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述全球氣候模型（GCM）在模擬水循環(huán)過(guò)程中通常需要考慮的關(guān)鍵物理過(guò)程和參數(shù)化方案。4.解釋什么是集合預(yù)報(bào)，并說(shuō)明其在提高預(yù)測(cè)可靠性方面的作用。5.列舉地球系統(tǒng)模擬與預(yù)測(cè)技術(shù)面臨的至少三個(gè)主要挑戰(zhàn)。6.簡(jiǎn)述遙感數(shù)據(jù)在地球系統(tǒng)綜合模擬中的作用。二、論述題（每題10分，共40分）1.論述地球系統(tǒng)模型（如E3SM,HadGEM等）在研究氣候變化問(wèn)題中的應(yīng)用，包括其能力、局限性和改進(jìn)方向。2.詳細(xì)論述數(shù)據(jù)同化技術(shù)在提高大氣再分析數(shù)據(jù)質(zhì)量或改進(jìn)模式初始場(chǎng)方面的具體流程和意義。3.選擇一個(gè)你感興趣的地球系統(tǒng)現(xiàn)象（如亞馬遜雨林砍伐對(duì)區(qū)域氣候的影響、海洋酸化對(duì)生物圈的影響等），闡述如何利用地球系統(tǒng)綜合模擬方法進(jìn)行研究，需要說(shuō)明涉及的關(guān)鍵模型、數(shù)據(jù)和技術(shù)環(huán)節(jié)。4.討論地球系統(tǒng)模擬與預(yù)測(cè)結(jié)果中不確定性的主要來(lái)源，并簡(jiǎn)述評(píng)估和傳播這些不確定性的常用方法。三、應(yīng)用題（每題15分，共30分）1.假設(shè)你是一名地球系統(tǒng)科學(xué)家，需要評(píng)估兩個(gè)不同的全球氣候模型（ModelA和ModelB）在未來(lái)50年預(yù)測(cè)區(qū)域降水量變化的能力。請(qǐng)簡(jiǎn)述你將采用哪些步驟和指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析和比較，并說(shuō)明你需要注意哪些潛在的問(wèn)題。2.描述一個(gè)利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)將衛(wèi)星觀測(cè)的葉面積指數(shù)（LAI）數(shù)據(jù)融入陸地表面模型（LSM）以改進(jìn)植被動(dòng)態(tài)模擬的方案。請(qǐng)說(shuō)明該方案的目標(biāo)、可能采用的數(shù)據(jù)同化方法、關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)以及預(yù)期可能帶來(lái)的好處。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案:地球系統(tǒng)綜合模擬是指利用數(shù)學(xué)模型，集成大氣、海洋、陸地表面、冰雪圈、生物圈以及人類(lèi)社會(huì)等多個(gè)子系統(tǒng)的主要過(guò)程和相互作用，對(duì)地球系統(tǒng)的狀態(tài)和演變進(jìn)行定量表征和預(yù)測(cè)。其主要特點(diǎn)包括：多圈層耦合、多尺度交叉、復(fù)雜性系統(tǒng)、數(shù)據(jù)依賴(lài)性強(qiáng)、計(jì)算密集型。解析思路:考察對(duì)核心概念的理解。需要答出模擬的對(duì)象是“地球系統(tǒng)”，包含哪些主要子系統(tǒng)（至少提及大氣、海洋、陸地、冰雪、生物圈），以及模擬的關(guān)鍵特征（耦合、多尺度、復(fù)雜性、數(shù)據(jù)依賴(lài)、計(jì)算量大）。2.答案:前向模擬是給定初始和邊界條件，讓模型單向運(yùn)行，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的狀態(tài)或響應(yīng)。數(shù)據(jù)同化則是結(jié)合模型預(yù)測(cè)能力和觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)某種算法（如最優(yōu)插值、集合卡爾曼濾波等）來(lái)修正模型狀態(tài)，得到一個(gè)更接近真實(shí)、誤差更小的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)。其關(guān)鍵區(qū)別在于，數(shù)據(jù)同化是“反饋”和“修正”過(guò)程，旨在融合模型與觀測(cè)，改進(jìn)狀態(tài)估計(jì)，而前向模擬是純粹的模型單向預(yù)測(cè)。解析思路:考察對(duì)兩種方法的本質(zhì)區(qū)別的理解。要明確答出兩者的運(yùn)行方向（單向vs.反饋）、目的（預(yù)測(cè)未來(lái)vs.修正當(dāng)前狀態(tài)）、核心操作（運(yùn)行模型vs.結(jié)合模型與數(shù)據(jù)）。3.答案:GCM模擬水循環(huán)需考慮的關(guān)鍵過(guò)程包括：蒸發(fā)（包括潛熱通量和感熱通量驅(qū)動(dòng)）、蒸騰、大尺度降水（對(duì)流、大型氣旋性降水等）、降水形態(tài)（雨、雪、冰雹等）、云的形成與演變、云水/冰水含量、降水落到地表的再分配（地表徑流、壤中流、入滲產(chǎn)流）。相關(guān)的參數(shù)化方案主要包括：蒸發(fā)蒸騰通量參數(shù)化（如Penman-Monteith）、云凝結(jié)核濃度參數(shù)化、云物理過(guò)程參數(shù)化（如云尺度對(duì)流參數(shù)化、大尺度降水參數(shù)化）、陸面水文過(guò)程參數(shù)化（如Hibler/HSW模型中描述積雪、融雪、地表徑流、入滲等）。解析思路:考察對(duì)GCM核心子模塊（水循環(huán)）及其關(guān)鍵過(guò)程和參數(shù)化方法的掌握。需要列出水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，并提及模擬這些環(huán)節(jié)常用的簡(jiǎn)化假設(shè)或數(shù)學(xué)公式（參數(shù)化）。4.答案:集合預(yù)報(bào)是指通過(guò)運(yùn)行多個(gè)（通常是多個(gè)不同的）模型實(shí)例，或者同一個(gè)模型但使用不同的初始擾動(dòng)（如不同的大氣擾動(dòng)種子）或參數(shù)設(shè)置，來(lái)產(chǎn)生一組可能的未來(lái)狀態(tài)或預(yù)報(bào)結(jié)果。其作用在于，通過(guò)分析這組結(jié)果的集合變化（如集合平均、集合散度、集合概率），可以量化預(yù)測(cè)的不確定性，并提供比單一預(yù)報(bào)更全面的信息，有助于更好地理解和應(yīng)對(duì)預(yù)報(bào)的不確定性。解析思路:考察對(duì)集合預(yù)報(bào)概念和意義的理解。要答出其基本做法（運(yùn)行多個(gè)模型/多個(gè)實(shí)例），以及其主要價(jià)值（產(chǎn)生多個(gè)可能性、量化不確定性）。5.答案:地球系統(tǒng)模擬與預(yù)測(cè)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)包括：模型分辨率與計(jì)算資源的矛盾（高分辨率模型需要巨大計(jì)算力）、模型復(fù)雜性與參數(shù)不確定性的處理（如何準(zhǔn)確代表眾多過(guò)程并量化參數(shù)誤差）、觀測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)同化的局限（觀測(cè)覆蓋率不足、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制難、同化算法效率與精度）、極端事件預(yù)測(cè)的難度（如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、極端干旱/洪水）、人類(lèi)活動(dòng)影響的量化與預(yù)估、長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的不確定性累積。解析思路:考察對(duì)領(lǐng)域前沿挑戰(zhàn)的認(rèn)識(shí)。要求列舉出至少三個(gè)有代表性的、當(dāng)前研究中普遍關(guān)注的難題。6.答案:遙感數(shù)據(jù)在地球系統(tǒng)綜合模擬中的作用是多方面的：提供模型所需的關(guān)鍵初始和邊界條件（如地表溫度、地表覆蓋類(lèi)型、葉面積指數(shù)、海表溫度、海冰覆蓋等）；用于驗(yàn)證模型模擬結(jié)果（如與衛(wèi)星觀測(cè)的氣象要素、土壤濕度、植被指數(shù)等進(jìn)行比較）；作為數(shù)據(jù)同化的輸入數(shù)據(jù)，改進(jìn)模型狀態(tài)和參數(shù)（如通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)同化海流和海面高度，通過(guò)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)同化大氣水汽含量）；支持模型中某些過(guò)程的參數(shù)化方案（如利用遙感反演的植被指數(shù)改進(jìn)陸面模型中的蒸騰項(xiàng)）。解析思路:考察對(duì)遙感技術(shù)與模擬預(yù)測(cè)技術(shù)結(jié)合點(diǎn)的理解。需要從數(shù)據(jù)源、驗(yàn)證、數(shù)據(jù)同化輸入、參數(shù)化支持等多個(gè)角度說(shuō)明遙感的作用。二、論述題1.答案:地球系統(tǒng)模型（ESMs）是研究氣候變化的核心工具。它們通過(guò)集成大氣、海洋、陸地、冰雪圈和生物圈的關(guān)鍵物理、化學(xué)和生物過(guò)程，能夠模擬地球系統(tǒng)的整體行為和相互作用。應(yīng)用方面，ESMs被廣泛用于：模擬過(guò)去氣候演變，為理解氣候機(jī)制提供依據(jù)；進(jìn)行未來(lái)氣候情景模擬（如RCPs,SSPs），評(píng)估不同人類(lèi)活動(dòng)情景下氣候變化的可能路徑和影響；研究特定氣候現(xiàn)象（如ENSO、極地Amplification）的成因和變化；評(píng)估氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、海平面、水資源等的影響。局限性在于：模型分辨率有限，難以刻畫(huà)小尺度過(guò)程和區(qū)域細(xì)節(jié)；參數(shù)化方案存在不確定性，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；計(jì)算成本高昂；對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的依賴(lài)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量影響模擬質(zhì)量。改進(jìn)方向包括：提高模型分辨率（發(fā)展云分辨率模型等）；改進(jìn)關(guān)鍵過(guò)程（如云物理、陸面過(guò)程、生物地球化學(xué)循環(huán)）的參數(shù)化方案；發(fā)展更先進(jìn)的模型架構(gòu)（如數(shù)據(jù)同化、機(jī)器學(xué)習(xí)融合）；加強(qiáng)多模型對(duì)比和不確定性研究；利用更全面的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束和改進(jìn)。解析思路:考察對(duì)ESMs在氣候變化研究中的綜合應(yīng)用、能力、局限性和未來(lái)發(fā)展的全面理解。需要覆蓋ESMs是什么、能做什么（應(yīng)用）、存在什么問(wèn)題（局限），以及如何做得更好（改進(jìn)）。2.答案:數(shù)據(jù)同化是將模型預(yù)測(cè)能力與觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以獲得比單獨(dú)使用模型或觀測(cè)更優(yōu)估計(jì)的技術(shù)。其具體流程通常包括：準(zhǔn)備階段（定義觀測(cè)系統(tǒng)、建立數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)框架、選擇合適的同化算法）；在線（或稱(chēng)濾估）階段（模型向前積分一步得到預(yù)測(cè)，計(jì)算預(yù)測(cè)與觀測(cè)的偏差，利用同化算法結(jié)合偏差修正模型狀態(tài)，得到分析狀態(tài)）；分析后處理（對(duì)分析狀態(tài)進(jìn)行質(zhì)量控制、集合傳播等）。數(shù)據(jù)同化的意義在于：能夠利用所有可獲得的觀測(cè)信息來(lái)改進(jìn)模型狀態(tài)，得到更接近真實(shí)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)，從而提高后續(xù)基于此狀態(tài)進(jìn)行的預(yù)報(bào)或模擬的可靠性；能夠以較新的信息來(lái)約束模型內(nèi)部參數(shù)或外部強(qiáng)迫，改進(jìn)模型本身；是連接觀測(cè)與模型、推動(dòng)地球系統(tǒng)科學(xué)研究的重要技術(shù)手段。常用的算法包括卡爾曼濾波及其變種（如集合卡爾曼濾波EnKF、多模式卡爾曼濾波MKF）、變分同化（3D-Var,4D-Var）等。解析思路:考察對(duì)數(shù)據(jù)同化基本概念、流程和意義的深入理解。要答出其核心思想（結(jié)合模型與觀測(cè)），描述標(biāo)準(zhǔn)步驟，并闡述其帶來(lái)的好處（改進(jìn)狀態(tài)、提高預(yù)報(bào)質(zhì)量等），同時(shí)提及常用算法類(lèi)型。3.答案:以“亞馬遜雨林砍伐對(duì)區(qū)域氣候的影響”為例，利用地球系統(tǒng)綜合模擬方法研究可以按以下步驟進(jìn)行：首先，選擇合適的地球系統(tǒng)模型（ESM）或包含陸地生物圈過(guò)程的地球氣候模型（LCM/GCM）；其次，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)：一個(gè)“控制”實(shí)驗(yàn)（使用當(dāng)前亞馬遜雨林覆蓋和土地利用），一個(gè)“干擾”實(shí)驗(yàn)（模擬未來(lái)亞馬遜部分地區(qū)被砍伐，土地利用類(lèi)型改變?yōu)槟翀?chǎng)或農(nóng)田）；第三，運(yùn)行這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，模擬區(qū)域氣候（溫度、降水、風(fēng)等）對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，時(shí)間尺度可以是幾十年；第四，對(duì)比分析兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果差異，重點(diǎn)關(guān)注氣候要素的變化幅度、空間分布特征及其演變趨勢(shì)；第五，結(jié)合模型輸出，可能還需要利用遙感數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步分析，探討影響機(jī)制（如生物地球物理效應(yīng)、生物地球化學(xué)效應(yīng)）。關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括：高分辨率陸面過(guò)程模型、土地利用/土地覆蓋變化（LULCC）模塊、大氣環(huán)流模型、數(shù)據(jù)同化技術(shù)（用于改進(jìn)初始條件和參數(shù)）、區(qū)域氣候降尺度技術(shù)。預(yù)期好處是能定量評(píng)估亞馬遜砍伐對(duì)區(qū)域乃至全球氣候的凈影響，為相關(guān)氣候政策提供科學(xué)依據(jù)。解析思路:考察將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際科學(xué)問(wèn)題的能力。需要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的研究方案，包括明確的研究問(wèn)題、選擇的模型類(lèi)型、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)置、分析方法和步驟、涉及的關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)期目標(biāo)。4.答案:地球系統(tǒng)模擬與預(yù)測(cè)結(jié)果中的不確定性來(lái)源是多方面的，主要包括：模型結(jié)構(gòu)不確定性（模型未能完全正確描述真實(shí)世界的物理、化學(xué)、生物過(guò)程）、模型參數(shù)不確定性（模型參數(shù)存在固有的變異性，難以精確確定）、輸入數(shù)據(jù)不確定性（觀測(cè)數(shù)據(jù)本身存在誤差、分辨率限制、時(shí)空覆蓋不均等）、初始條件不確定性（對(duì)于預(yù)測(cè)，初始狀態(tài)的不確定性是主要的）、外部強(qiáng)迫不確定性（如溫室氣體排放情景的預(yù)估誤差、太陽(yáng)活動(dòng)變化等）、計(jì)算不確定性（如離散化、數(shù)值格式帶來(lái)的誤差）。評(píng)估和傳播這些不確定性的常用方法包括：多模型集合（運(yùn)行多個(gè)結(jié)構(gòu)或參數(shù)不同的模型）、單模型集合（通過(guò)改變模型輸入、參數(shù)或使用不同隨機(jī)種子運(yùn)行模型，如集合卡爾曼濾波產(chǎn)生的集合、混沌動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的集合）、不確定性傳播分析（如蒙特卡洛模擬、拉普拉斯近似）、基于貝葉斯的推斷方法（結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)和觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和不確定性量化）、降維方法（如特征向量分析）。解析思路:考察對(duì)不確定性來(lái)源的全面認(rèn)識(shí)和對(duì)量化方法的理解。需要列出不確定性的主要類(lèi)別，并針對(duì)每一類(lèi)或綜合地介紹幾種常用的評(píng)估和傳播不確定性的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計(jì)方法。三、應(yīng)用題1.答案:評(píng)估兩個(gè)GCM對(duì)未來(lái)50年區(qū)域降水量變化預(yù)測(cè)能力的步驟和指標(biāo)如下：第一步，選擇研究區(qū)域和時(shí)間段。第二步，獲取兩個(gè)GCM的模擬結(jié)果，通常需要使用相同的未來(lái)排放情景（如RCP2.6或RCP8.5）驅(qū)動(dòng)。第三步，提取研究區(qū)域內(nèi)的年或季平均降水量模擬值。第四步，獲取相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)（地面氣象站或衛(wèi)星數(shù)據(jù)）作為真實(shí)值。第五步，計(jì)算評(píng)估指標(biāo)，常用的有：均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）、相關(guān)系數(shù)（R）、偏差（Bias，即模擬值與觀測(cè)值的平均差值）。第六步，比較兩個(gè)GCM在相同指標(biāo)上的表現(xiàn)。第七步，可能還需要進(jìn)行集合平均分析，以減小隨機(jī)誤差，更可靠地評(píng)估模型能力。需要注意的問(wèn)題包括：觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時(shí)空分辨率是否與模型輸出匹配；模型分辨率是否能捕捉到區(qū)域降水變化的精細(xì)特征；模型可能系統(tǒng)性地高估或低估降水；考慮氣候變化背景下降水變率本身可能也在增加，評(píng)估時(shí)需注意這種背景變化的影響。解析思路:考察對(duì)氣候模型評(píng)估實(shí)踐的理解。需要描述一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估流程，明確涉及的數(shù)據(jù)、步驟和核心指標(biāo)，并指出評(píng)估中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題或潛在的局限性。2.答案:利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)將衛(wèi)星觀測(cè)的LAI數(shù)據(jù)融入LSM的方案如下：目標(biāo)是為L(zhǎng)SM提供更準(zhǔn)確、時(shí)空連續(xù)的LAI場(chǎng)，從而改進(jìn)植被動(dòng)態(tài)模擬?？赡懿捎玫臄?shù)據(jù)同化方法包括集合卡爾曼濾波（EnKF）、變分同化（VAR）或其改進(jìn)版本（如3D-Var,4D-Var）。關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：首先，需要發(fā)展或選擇一個(gè)能合理模擬LAI變化的LSM。其次，建立LAI觀測(cè)系統(tǒng)，明確觀測(cè)類(lèi)型（如MODIS,VIIRS）、時(shí)空分辨率和地理覆蓋范圍。第三，將LAI觀測(cè)算子嵌入數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，使其能夠從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取LAI信息。第四，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同化方案，確定觀測(cè)權(quán)重、背景預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)、分析增量統(tǒng)計(jì)等參數(shù)。第五，運(yùn)