2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——陸地地?zé)崽卣鲗?duì)城市氣候變化的影響研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.地?zé)崽荻?.城市熱島效應(yīng)(UHI)3.熱紅外遙感4.地源熱泵5.地下熱流二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述地球內(nèi)部熱的主要來源及其傳遞方式。2.城市化進(jìn)程如何改變地表能量平衡，進(jìn)而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的形成？3.列舉三種常用的淺層地?zé)釡y(cè)量方法，并簡述其基本原理。4.人類活動(dòng)產(chǎn)生的“人工熱源”在城市地下熱環(huán)境中有哪些主要形式？5.簡述地下水循環(huán)在地?zé)崽卣髋c城市氣候相互作用中的角色。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述淺層地?zé)崽卣鳎ㄈ绲責(zé)崽荻?、地下熱流）如何影響城市地表溫度分布及城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度和特征。2.結(jié)合城市氣候?qū)W知識(shí)，論述城市中人類活動(dòng)產(chǎn)生的“人工熱源”與自然地?zé)徇^程之間的相互作用機(jī)制。3.分析利用地?zé)崮埽ㄈ绲卦礋岜茫┚徑獬鞘袣夂騿栴}的潛力與面臨的挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某城市測(cè)得地表平均溫度為30°C，地下5米處地溫為18°C，地下15米處地溫為10°C。請(qǐng)計(jì)算5米至15米這段地層的平均地?zé)崽荻群驮撋疃鹊牡叵聼崃鳎僭O(shè)巖石熱導(dǎo)率為1.5W/(m·K)）。2.假設(shè)一個(gè)城市區(qū)域面積為100公頃，年均人工熱源排放總量為1.5x10^10焦耳/年。如果這些熱量有10%通過土壤傳導(dǎo)進(jìn)入地下，且土壤熱導(dǎo)率為1.0W/(m·K)，地表至地下10米深度土壤平均厚度為2米，請(qǐng)估算該人工熱源對(duì)地下10米深度處地?zé)醿?chǔ)量變化的貢獻(xiàn)速率（單位：W/m2）。五、分析題（每題15分，共30分）1.某研究指出，在城市擴(kuò)張過程中，綠地覆蓋率的下降不僅加劇了城市熱島效應(yīng)，同時(shí)也改變了區(qū)域的淺層地?zé)釄?chǎng)分布。請(qǐng)分析可能導(dǎo)致這一現(xiàn)象的地球物理和環(huán)境科學(xué)機(jī)制。2.比較分析利用熱紅外遙感技術(shù)和傳統(tǒng)地面測(cè)量方法（如溫度計(jì)、地?zé)崽荻葍x）在獲取城市地表熱場(chǎng)信息方面的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)景。試卷答案一、名詞解釋1.地?zé)崽荻龋褐傅厍騼?nèi)部某處垂直方向上單位深度的溫度變化率，通常用攝氏度每百米（°C/100m）表示，是衡量地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。**解析思路：*定義地?zé)崽荻鹊母拍?，并說明其單位及作為衡量地?zé)峄顒?dòng)指標(biāo)的重要性。2.城市熱島效應(yīng)(UHI)：指城市地區(qū)的氣溫顯著高于其周邊鄉(xiāng)村地區(qū)的現(xiàn)象，是城市地表與大氣系統(tǒng)熱力性質(zhì)改變導(dǎo)致的一種局地氣候特征。**解析思路：*定義城市熱島效應(yīng)，強(qiáng)調(diào)其核心是城市比周邊鄉(xiāng)村熱，并點(diǎn)明其成因與城市地表性質(zhì)的改變。3.熱紅外遙感：利用人眼不可見的紅外輻射（熱輻射）信息，通過傳感器探測(cè)地表或大氣目標(biāo)物的溫度分布，并進(jìn)行信息提取和分析的一種技術(shù)。**解析思路：*解釋熱紅外遙感的原理，即探測(cè)熱輻射信息，并說明其應(yīng)用對(duì)象（地表/大氣溫度）和目的（信息提取）。4.地源熱泵：利用地埋管換熱系統(tǒng)，冬季從地下土壤或水體中吸收熱量為建筑供暖，夏季將建筑中排出的熱量釋放回地下土壤或水體中供制冷的一種節(jié)能空調(diào)技術(shù)。**解析思路：*定義地源熱泵，說明其基本工作原理（冬季吸熱、夏季放熱），并點(diǎn)出其節(jié)能特性。5.地下熱流：指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積從地球內(nèi)部向地表傳遞的熱量，是地球內(nèi)部熱量向外傳遞的速率度量，反映了地?zé)峄顒?dòng)的強(qiáng)度。**解析思路：*定義地下熱流，說明其度量的是熱量傳遞速率，并指出其與地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)度的關(guān)系。二、簡答題1.地球內(nèi)部熱的主要來源是放射性元素（如鈾、釷、鉀）在地球深部（地幔、地核）的衰變過程釋放的能量。熱量的傳遞方式主要是通過固體地球內(nèi)部的分子熱運(yùn)動(dòng)（傳導(dǎo)）和地幔對(duì)流（對(duì)流傳導(dǎo)）。**解析思路：*先指出熱源（放射性元素衰變），再說明主要的傳熱方式（傳導(dǎo)、對(duì)流）。2.城市化改變了地表的能量平衡。建筑物、道路等硬化表面吸收并儲(chǔ)存了更多的太陽輻射熱量；城市綠地和水體減少，蒸騰冷卻作用減弱；人工熱源（供暖、空調(diào)、交通工具、工業(yè)等）直接向大氣排放熱量；空氣污染物（如懸浮顆粒物）可能削弱太陽輻射到達(dá)地面的能量，但城市冠層更密集，逆輻射更強(qiáng)，綜合結(jié)果常導(dǎo)致地表溫度升高，形成城市熱島。**解析思路：*從能量平衡角度分析，列舉導(dǎo)致城市增溫的主要因素：吸儲(chǔ)更多太陽輻射、人工熱源排放、蒸騰作用減弱、空氣污染物影響等。3.常用的淺層地?zé)釡y(cè)量方法包括：地?zé)崽荻葴y(cè)量（通過測(cè)量不同深度的地溫差異判斷地?zé)岜尘埃坏責(zé)徙@探（獲取不同深度的巖土體樣品進(jìn)行溫度、熱物性分析）；熱紅外遙感（從空中或地面探測(cè)地表溫度分布）；淺層地球物理勘探（如電阻率法、探地雷達(dá)GPR，通過探測(cè)地電阻率或介電常數(shù)的變化間接反映地溫分布或地下結(jié)構(gòu)）；土壤熱電偶測(cè)量（直接測(cè)量地表下不同深度的土壤溫度）。**解析思路：*列舉幾種代表性方法，并對(duì)其中一兩種稍作解釋，說明其測(cè)量目的或原理。4.城市中人類活動(dòng)產(chǎn)生的“人工熱源”主要包括：建筑供暖和空調(diào)系統(tǒng)排放的廢熱；交通工具（汽車、地鐵、公交、飛機(jī)）運(yùn)行產(chǎn)生的熱量；工業(yè)生產(chǎn)過程釋放的余熱；人體代謝產(chǎn)生的熱量；電器設(shè)備（電腦、照明、電器待機(jī)）運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。**解析思路：*列舉城市中常見的產(chǎn)熱人類活動(dòng)，涵蓋供暖、交通、工業(yè)、生活等多個(gè)方面。5.地下水循環(huán)在地?zé)崽卣髋c城市氣候相互作用中扮演著重要角色。地下水在流動(dòng)過程中能與周圍巖土體進(jìn)行熱量交換，從而傳遞和調(diào)節(jié)地下熱能。城市地下水的補(bǔ)給（如降雨入滲、地表水體滲漏）和排泄（如泉水出露、人工抽水）過程都會(huì)影響地下水流速、水溫和含水層溫度，進(jìn)而影響地下熱流的分布和淺層地?zé)釄?chǎng)的特征。城市過量抽水可能導(dǎo)致地下水位下降，改變地下水循環(huán)模式，影響區(qū)域熱平衡。**解析思路：*闡述地下水循環(huán)的物理過程（熱量交換），并說明其影響（傳遞調(diào)節(jié)熱能、改變熱流、影響淺層地?zé)釄?chǎng)），最后提及城市抽水對(duì)地下循環(huán)和熱平衡的潛在影響。三、論述題1.淺層地?zé)崽卣黠@著影響城市地表溫度分布及城市熱島效應(yīng)。地?zé)崽荻容^高的區(qū)域，地下熱量更容易向上傳導(dǎo)，導(dǎo)致地表溫度相對(duì)較高，可能加劇局部熱島效應(yīng)。地下熱流的存在為地表提供了額外的熱源，特別是在冬季，當(dāng)城市表面散熱快時(shí)，地下熱量的補(bǔ)充作用更明顯，會(huì)使得這些區(qū)域的地表溫度高于其他區(qū)域。同時(shí)，地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域（如靠近溫泉、火山活動(dòng)區(qū)或深大斷裂帶）可能形成獨(dú)立的熱點(diǎn)，疊加在城市熱島之上，使得該區(qū)域熱島強(qiáng)度異常高。此外，不同地質(zhì)條件下（如巖土體熱導(dǎo)率差異）的地?zé)釄?chǎng)分布也會(huì)影響地表溫度的細(xì)微結(jié)構(gòu)和熱島的空間形態(tài)。**解析思路：*闡述地?zé)崽卣鳎ㄌ荻取崃鳎┤绾瓮ㄟ^熱量傳導(dǎo)、提供熱源等方式影響地表溫度。區(qū)分普遍影響和局部強(qiáng)化影響（如熱點(diǎn)疊加）。提及地質(zhì)條件的作用。2.城市中人類活動(dòng)產(chǎn)生的“人工熱源”與自然地?zé)徇^程之間的相互作用機(jī)制復(fù)雜。人工熱源（如供暖、空調(diào)、交通、工業(yè)）向城市地表和近地面大氣排放大量熱量，一部分熱量通過傳導(dǎo)進(jìn)入地下，增加了土壤和淺層地下水系統(tǒng)的溫度。這會(huì)改變局部地?zé)釄?chǎng)的背景值，使得地表至一定深度的溫度剖面發(fā)生變化。同時(shí)，升高的近地表溫度也可能影響地下水的溫度，尤其是在抽水或補(bǔ)給過程中，導(dǎo)致地下水溫度相對(duì)升高。反之，自然地?zé)徇^程也可能影響人工熱源的效果。例如，在地下熱流較高的區(qū)域，冬季供暖的效率可能因地下熱量的補(bǔ)充而有所降低；夏季制冷則可能需要消耗更多能量來克服額外的地下熱負(fù)荷。城市地下空間的開發(fā)利用（如地鐵站、地下商場(chǎng)）也可能與地下熱環(huán)境相互作用，影響地下空間的溫度舒適度。**解析思路：*從人工熱源向地下傳遞熱量、改變地?zé)釄?chǎng)背景入手。再從自然地?zé)徇^程對(duì)人工熱源（供暖/制冷）的反作用進(jìn)行分析。提及地下空間利用的潛在影響。3.利用地?zé)崮埽ㄈ绲卦礋岜茫┚徑獬鞘袣夂騿栴}的潛力巨大，主要體現(xiàn)在能源結(jié)構(gòu)和城市微氣候改善方面。潛力體現(xiàn)在：地源熱泵利用地下恒溫源（通常在地下幾米到幾十米深處）進(jìn)行能量交換，可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的供暖和制冷，從而減少對(duì)化石燃料的依賴，降低城市溫室氣體排放，有助于緩解全球氣候變化對(duì)城市的影響；同時(shí)，由于能源利用效率高，也減少了城市能源消耗總量。面臨的挑戰(zhàn)包括：地源熱泵的安裝需要占用一定的土地面積（打孔、埋管）；地?zé)崮艿睦眯适墚?dāng)?shù)氐叵聼醿?chǔ)層容量、熱導(dǎo)率、抽放平衡等因素制約，并非所有地區(qū)都適合大規(guī)模發(fā)展；過度開發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源可能導(dǎo)致地下水位下降、地面沉降、土壤/水體溫度異常變化等環(huán)境問題；地源熱泵系統(tǒng)初投資相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)性有待提升；相關(guān)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和規(guī)范體系尚需完善。**解析思路：*先論述利用地?zé)崮埽ǖ卦礋岜茫┚徑獬鞘袣夂騿栴}的優(yōu)勢(shì)（節(jié)能、減排、改善微氣候）。再分點(diǎn)論述面臨的挑戰(zhàn)（土地、資源限制、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性、規(guī)劃規(guī)范等）。四、計(jì)算題1.平均地?zé)崽荻?(10°C-18°C)/(15m-5m)=-8°C/10m=-0.8°C/100m。地下熱流Q=k*(T2-T1)/(L2-L1)=1.5W/(m·K)*(10°C-18°C)/(15m-5m)=1.5W/(m·K)*(-8°C)/10m=-1.2W/m2。*解析思路：*按照地?zé)崽荻群蜔崃鞯幕居?jì)算公式，代入數(shù)據(jù)計(jì)算。注意單位統(tǒng)一和負(fù)號(hào)表示熱流方向。2.人工熱源對(duì)地下10米深度處地?zé)醿?chǔ)量變化的貢獻(xiàn)速率（即等效熱流Q_contribution）：Q_contribution=(總?cè)斯嵩礋崃?轉(zhuǎn)移比例)/(地下熱儲(chǔ)層體積*時(shí)間)=(1.5x10^10J/yr*10%)/[(100公頃*10000m2/公頃*10m)*365days/yr*24hr/day*3600s/hr]=(1.5x10^9J/yr)/(1x10^8m3*yr/s)=1.5x10^9J/(1x10^8J/s)=15W/m2。*解析思路：*首先計(jì)算通過土壤傳導(dǎo)的總?cè)斯崃髁俊Ｈ缓罄脽崃鞫x式Q=能量/（體積*時(shí)間），計(jì)算對(duì)地下10米深度處地?zé)醿?chǔ)量變化的貢獻(xiàn)速率（等效熱流）。注意單位換算。五、分析題1.城市綠地覆蓋率的下降加劇城市熱島效應(yīng)，同時(shí)改變淺層地?zé)釄?chǎng)分布的可能機(jī)制分析：首先，綠地（植被、土壤、水體）具有蒸騰作用和遮蔽效應(yīng)。蒸騰作用能消耗大量熱量，降低地表溫度；遮蔽效應(yīng)能減少地表接收的太陽輻射。綠地減少則削弱了這些冷卻作用，導(dǎo)致城市地表對(duì)太陽輻射的吸收更多、儲(chǔ)存熱量更多，直接加劇了城市熱島效應(yīng)。其次，綠地通常具有較高的水分含量。水分的熱容量和蒸發(fā)潛熱較大，使得綠地地表溫度變化相對(duì)平緩，加劇了城市與綠地區(qū)域之間的溫度差異。在淺層地?zé)岱矫妫G地土壤通常含有更多水分，熱導(dǎo)率相對(duì)較低。當(dāng)城市硬化表面（如混凝土）將大量熱量傳導(dǎo)至地下后，周圍綠地區(qū)域的低熱導(dǎo)率土壤可能限制熱量的快速擴(kuò)散，導(dǎo)致在綠地邊界附近形成溫度較高的“熱島”區(qū)域，或者使得城市熱島的熱力影響在綠地下方的深度和范圍發(fā)生變化。此外，綠地土壤的含水率變化也會(huì)影響其熱物理性質(zhì)和與地下水的熱量交換，進(jìn)而微調(diào)淺層地?zé)釄?chǎng)。**解析思路：*分兩部分分析：一是綠地減少如何加劇熱島（削弱蒸騰冷卻、遮蔽效應(yīng)）；二是綠地減少如何改變淺層地?zé)釄?chǎng)（低熱導(dǎo)率限制熱量擴(kuò)散、影響邊界熱島、含水率變化影響熱交換）。2.比較分析熱紅外遙感和傳統(tǒng)地面測(cè)量方法在獲取城市地表熱場(chǎng)信息方面的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)景：*熱紅外遙感：*優(yōu)點(diǎn)：覆蓋范圍廣，可快速獲取大區(qū)域、高分辨率的地表溫度分布圖，時(shí)效性強(qiáng)（尤其航空/航天遙感），可獲取瞬時(shí)溫度信息，不受單一測(cè)點(diǎn)限制，能反映溫度的空間異質(zhì)性。*缺點(diǎn)：只能獲取地表或冠層頂部的有效輻射溫度，而非絕對(duì)地表溫度；易受云層、大氣水汽、太陽輻射等大氣條件影響（尤其可見光波段）；傳感器與地表間的距離、視角、大氣參數(shù)等校正復(fù)雜；空間分辨率受傳感器類型和距離限制；成本較高。*適用場(chǎng)景：大范圍城市熱島格局繪制、熱環(huán)境空間分布規(guī)律研究、熱島強(qiáng)度時(shí)空變化監(jiān)測(cè)、與其他地表參數(shù)（如土地利用/覆蓋）疊加分析、災(zāi)害（如火災(zāi)）熱異?？焖偬綔y(cè)。*傳統(tǒng)地面測(cè)量方法（如溫度計(jì)、地?zé)崽荻葍x、土壤熱電偶）：*優(yōu)點(diǎn)：可精確測(cè)量特定點(diǎn)的地表溫度或地下不同深度的溫度，獲得準(zhǔn)確的絕對(duì)溫度值；測(cè)量結(jié)果直接，受大氣影響相對(duì)較小（尤其是地下測(cè)量）；操作相對(duì)簡單，成本較低（單個(gè)點(diǎn)測(cè)量）；可用于定點(diǎn)