2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地球微波輻射在氣候變化中的影響考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題4分，共20分）1.微波輻射2.亮溫3.被動微波遙感4.大氣窗口5.水汽反饋二、簡答題（每小題6分，共30分）1.簡述大氣中水汽和二氧化碳在微波波段的主要吸收特征有何不同？2.解釋什么是被動微波遙感，并簡述其基本原理。3.簡述云層對地球微波輻射平衡的主要影響機(jī)制。4.為什么說微波遙感在監(jiān)測極地地區(qū)的氣候變化中具有重要優(yōu)勢？5.簡述微波輻射在大氣水汽含量監(jiān)測中的應(yīng)用原理。三、論述題（每小題10分，共20分）1.論述地球大氣中主要溫室氣體（CO?,CH?,O?等）的微波吸收特性及其對地球能量平衡的可能影響。2.結(jié)合被動微波遙感的基本思想，論述其如何用于監(jiān)測海冰覆蓋面積的變化及其與氣候的聯(lián)系。四、計(jì)算題（共30分）1.假設(shè)某大氣層段在某個(gè)微波頻率上的透過率為0.8，該層段上方大氣完全透明。若地表溫度為273K，請計(jì)算該層段頂部的微波亮溫。（15分）2.已知飽和水汽在某個(gè)微波通道的比輻射率為0.9，空氣的比輻射率為0.1。若某大氣層的實(shí)際水汽含量使得該通道的等效比輻射率為0.75，請估算該大氣層中水汽含量的相對大?。吹刃颗c飽和水汽含量的比值）。（15分）試卷答案一、名詞解釋1.微波輻射：指頻率在300MHz至300GHz之間的電磁波，波長在1米到1毫米之間。地球大氣中的水汽、二氧化碳、氧氣等分子能夠強(qiáng)烈吸收和發(fā)射微波輻射。2.亮溫：指物體對微波輻射發(fā)射功率的測量值所對應(yīng)的黑體輻射溫度。它表征的是物體微波輻射特性的一個(gè)等效溫度，是被動微波遙感中常用的參數(shù)。3.被動微波遙感：指利用探測儀器接收地球表面、大氣或太空自身發(fā)射的微波輻射能量，通過分析輻射信號的特性（如強(qiáng)度、頻率、偏振等）來獲取地表和大氣信息的一種遙感技術(shù)。4.大氣窗口：指大氣對微波輻射吸收和散射較小，允許微波輻射能夠穿透并通過到太空的區(qū)域。這些窗口是被動微波遙感衛(wèi)星傳感器選擇探測波長的關(guān)鍵依據(jù)。5.水汽反饋：指大氣中水汽含量對地表溫度變化的響應(yīng)，并通過改變大氣輻射特性進(jìn)一步影響地表溫度的反饋機(jī)制。通常表現(xiàn)為暖化會蒸發(fā)更多水汽，水汽再吸收更多紅外輻射導(dǎo)致進(jìn)一步暖化（正反饋）。二、簡答題1.簡述大氣中水汽和二氧化碳在微波波段的主要吸收特征有何不同？*解析思路：首要任務(wù)是區(qū)分水汽和CO?在微波波段的主要吸收特征。水汽在微波波段具有非常寬的強(qiáng)吸收帶，尤其是在分米波和厘米波段（如22GHz,183GHz附近），吸收強(qiáng)度隨水汽含量增加而顯著增強(qiáng)，且對溫度變化不敏感。CO?在微波波段的吸收線則相對較弱且狹窄，主要集中在幾個(gè)特定的頻率點(diǎn)（如115GHz,144GHz,183GHz附近），其吸收強(qiáng)度對CO?濃度的變化較為敏感。*答案要點(diǎn)：水汽在微波波段有寬而強(qiáng)的吸收帶（如22GHz,183GHz），吸收強(qiáng)度隨水汽含量變化顯著；CO?在微波波段吸收線窄而弱（如115GHz,144GHz,183GHz），吸收強(qiáng)度對CO?濃度變化敏感。2.解釋什么是被動微波遙感，并簡述其基本原理。*解析思路：定義要求清晰說明利用什么（自身發(fā)射的微波輻射）、探測什么（地球表面/大氣/太空）、如何探測（分析輻射信號特性）?；驹硪笳f明通過分析什么特性（強(qiáng)度、頻率等）來獲取什么信息（地表/大氣參數(shù)）。*答案要點(diǎn)：被動微波遙感是利用探測儀器接收地球表面、大氣或太空自身發(fā)射的微波輻射，通過分析接收到的輻射信號的強(qiáng)度、頻率、偏振等特性，來反演獲取地表溫度、濕度、水汽含量、云參數(shù)、海冰、風(fēng)速等信息的遙感技術(shù)。其基本原理是不同地表和大氣介質(zhì)具有獨(dú)特的微波發(fā)射或散射特性，這些特性與介質(zhì)參數(shù)（如溫度、濕度、密度、粗糙度等）相關(guān)聯(lián)。3.簡述云層對地球微波輻射平衡的主要影響機(jī)制。*解析思路：云層對微波輻射的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：吸收和散射。需要分別說明云層（包括云體本身和其上方的干空氣）對下行太陽輻射的吸收（較少，主要在高層云吸收CO?）和上行地球發(fā)射輻射的影響（顯著）。上行輻射方面，云體（特別是冰晶云）具有強(qiáng)烈的微波散射和發(fā)射特性，改變了地表/低層大氣發(fā)射到太空的輻射路徑和能量。同時(shí)，云頂?shù)睦鋮s效應(yīng)也影響輻射平衡。*答案要點(diǎn)：云層主要通過改變地球大氣系統(tǒng)的微波輻射特性來影響輻射平衡。云體本身（特別是高層云）會吸收少量微波輻射（如CO?）。更重要的是，云層強(qiáng)烈散射和發(fā)射微波輻射，特別是冰晶云具有各向異性散射和發(fā)射特性，顯著改變地表向上和大氣向外發(fā)射的微波能量通量。云層通常比同溫層下的晴空大氣更冷，導(dǎo)致云頂有一個(gè)冷卻效應(yīng)，減少了向太空的總輻射。4.為什么說微波遙感在監(jiān)測極地地區(qū)的氣候變化中具有重要優(yōu)勢？*解析思路：極地地區(qū)具有特殊的地理和氣候特征，如冰蓋、海冰、強(qiáng)季節(jié)變化、惡劣天氣等。需要結(jié)合這些特征，說明微波遙感如何克服傳統(tǒng)遙感的局限性（如光學(xué)遙感在冰雪地信息獲取困難），并能提供獨(dú)特的監(jiān)測能力。*答案要點(diǎn)：微波遙感在監(jiān)測極地氣候變化具有重要優(yōu)勢，因?yàn)樗軌虼┩冈茖雍捅?，直接探測冰面、海冰和雪被的物理特性。例如，可以利用微波輻射計(jì)監(jiān)測海冰的面積、厚度和變化；利用散射計(jì)測量海冰覆蓋下的海面風(fēng)場；利用被動微波遙感探測雪蓋的深度和濕度變化。這些是光學(xué)遙感難以實(shí)現(xiàn)的，尤其是在覆蓋有厚重云層和冰雪的極地地區(qū)，使得微波遙感成為極地氣候變化研究不可或缺的工具。5.簡述微波輻射在大氣水汽含量監(jiān)測中的應(yīng)用原理。*解析思路：重點(diǎn)在于說明水汽如何影響微波信號，以及如何利用這種影響來反演水汽。水汽在微波波段有強(qiáng)烈的吸收特征，吸收強(qiáng)度與水汽含量密切相關(guān)。被動微波遙感可以通過測量特定微波通道的亮溫，結(jié)合大氣輻射傳輸模型，反演出大氣柱或特定高度層的水汽含量信息。*答案要點(diǎn)：微波輻射在大氣水汽含量監(jiān)測中的應(yīng)用原理基于水汽在特定微波頻率（如22GHz,183GHz）具有強(qiáng)烈的吸收特性。大氣中的水汽含量直接影響這些通道的微波透過率或發(fā)射亮溫。被動微波遙感通過衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)測量這些通道的亮溫，利用水汽的強(qiáng)吸收特征，結(jié)合大氣輻射傳輸模型，可以反演得到大氣柱積分水汽含量或垂直分布信息。水汽含量越高，對應(yīng)通道的亮溫通常也越高（對于某些通道）。三、論述題1.論述地球大氣中主要溫室氣體（CO?,CH?,O?等）的微波吸收特性及其對地球能量平衡的可能影響。*解析思路：首先分別描述CO?,CH?,O?等在微波波段的吸收特性（是強(qiáng)吸收還是弱吸收，主要吸收波長）。然后，結(jié)合溫室效應(yīng)的基本原理，闡述這些氣體在微波波段的吸收如何影響地球的輻射收支平衡。即使微波吸收不如紅外強(qiáng)，但如果這些氣體濃度顯著增加，也可能對整體能量平衡產(chǎn)生累積效應(yīng)或改變能量在各層大氣間的分配。*答案要點(diǎn)：*吸收特性：CO?在微波波段吸收線窄而弱（如115GHz,144GHz,183GHz），但因其濃度高，累積吸收不可忽略。CH?在微波波段也有幾個(gè)吸收線（如845GHz,745GHz），強(qiáng)度比CO?弱。O?在微波波段吸收較弱，主要在遠(yuǎn)毫米波區(qū)域。其他痕量氣體也可能有貢獻(xiàn)。*對能量平衡的影響：地球大氣中的溫室氣體主要通過對紅外輻射的吸收和再輻射來起作用，即“溫室效應(yīng)”。雖然這些氣體在微波波段的吸收相對較弱，但它們同樣會吸收和發(fā)射微波輻射。如果CO?、CH?等溫室氣體的濃度持續(xù)增加，它們在微波波段的吸收也可能隨之增強(qiáng)（盡管對輻射收支的貢獻(xiàn)通常遠(yuǎn)小于紅外波段），從而微弱地影響地球系統(tǒng)的整體能量平衡。更重要的是，這些氣體通常也參與紅外吸收過程，其濃度增加對紅外能量平衡的影響是主要的。同時(shí)，大氣溫度結(jié)構(gòu)的變化也會影響微波輻射特性。因此，雖然微波吸收對總能量的直接影響可能不如紅外顯著，但它是大氣整體輻射傳輸和能量分布的一部分，溫室氣體濃度的增加會改變包括微波在內(nèi)的整個(gè)大氣輻射特性，對能量平衡產(chǎn)生綜合影響。2.結(jié)合被動微波遙感的基本思想，論述其如何用于監(jiān)測海冰覆蓋面積的變化及其與氣候的聯(lián)系。*解析思路：首先闡述被動微波遙感監(jiān)測海冰的基本思想：利用海冰和開闊海面在微波波段的輻射差異（亮溫差異）。然后具體說明如何利用這種差異來監(jiān)測海冰范圍。最后，將海冰范圍的變化與氣候變化聯(lián)系起來，說明其作為氣候指標(biāo)的潛力。*答案要點(diǎn)：*基本思想：被動微波遙感監(jiān)測海冰覆蓋面積的變化，是基于海冰和海水的微波輻射特性的顯著差異。海冰通常比海水更冷，發(fā)射的微波輻射更少（亮溫更低），并且其表面特性（粗糙度、介電常數(shù)）也不同于光滑的海面。因此，在被動微波遙感圖像或亮溫?cái)?shù)據(jù)中，海冰區(qū)域和開闊海區(qū)域可以區(qū)分開來。*監(jiān)測方法：衛(wèi)星微波輻射計(jì)（如SSM/I,SSMIS）通過測量整個(gè)區(qū)域（通常是極地或較大范圍的海洋）的平均微波亮溫。由于海冰區(qū)域的亮溫通常低于海面區(qū)域，通過設(shè)定一個(gè)閾值，可以將輻射計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成海冰/海面二分類圖，從而繪制出海冰覆蓋范圍。更高級的方法是使用多通道、多偏振的輻射計(jì)（如AMSR-E/2,SMOS）結(jié)合輻射傳輸模型，反演得到更精確的海冰濃度產(chǎn)品。*與氣候的聯(lián)系：海冰覆蓋面積的變