2025年大學(xué)《應(yīng)用氣象學(xué)》專業(yè)題庫——?dú)庀箢A(yù)報(bào)模型：天氣預(yù)測科學(xué)基礎(chǔ)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.天氣預(yù)報(bào)模型的核心理論基礎(chǔ)是（）。A.電動(dòng)力學(xué)B.流體力學(xué)與熱力學(xué)C.電磁學(xué)D.粒子物理學(xué)2.描述大氣系統(tǒng)質(zhì)量守恒的方程是（）。A.熱力學(xué)第一定律B.理想氣體狀態(tài)方程C.連續(xù)方程D.歐拉運(yùn)動(dòng)方程3.氣塊從飽和狀態(tài)抬升過程中，如果環(huán)境溫度遞減率大于干絕熱遞減率，則該大氣層結(jié)被稱為（）。A.慣性穩(wěn)定層結(jié)B.對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)C.中性層結(jié)D.慣性不穩(wěn)定層結(jié)4.下列哪種方法主要用于將連續(xù)的物理過程離散化，以便在計(jì)算機(jī)上數(shù)值求解？（）A.譜方法B.有限差分法C.半解析法D.有限元法5.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）中，模式分辨率通常指的是（）。A.模式總運(yùn)行時(shí)間B.模式垂直層數(shù)C.水平空間步長D.模式處理的總能量6.大氣模式中，針對(duì)積云對(duì)流進(jìn)行參數(shù)化的方案，其目的是（）。A.直接模擬每個(gè)積云對(duì)流單體B.計(jì)算大氣輻射傳輸C.模擬地面熱量交換D.模擬大氣邊界層湍流7.在天氣預(yù)報(bào)模型中，使用輻射傳輸方程的主要目的是計(jì)算（）。A.大氣運(yùn)動(dòng)的速度B.地面溫度分布C.大氣各層的水汽含量D.太陽輻射在大氣中的吸收和散射分布8.大氣可預(yù)報(bào)性的理論極限主要受到（）的限制。A.模式物理參數(shù)化精度B.大氣運(yùn)動(dòng)的混沌特性C.計(jì)算機(jī)硬件性能D.觀測資料的時(shí)空分辨率9.將觀測數(shù)據(jù)融入模式初始場的過程，通常稱為（）。A.模式運(yùn)行B.數(shù)據(jù)同化C.模式輸出D.模式驗(yàn)證10.下列哪個(gè)物理量通常不直接包含在天氣預(yù)報(bào)的常規(guī)模式變量中？（）A.水汽混合比B.氣壓C.地面風(fēng)速D.地面比輻射率二、填空題（請將答案填入橫線處）1.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型求解的核心方程組通常包括______、______和______。2.大氣干絕熱遞減率是一個(gè)常數(shù)，其量級(jí)約為______K/千米。3.氣象學(xué)中常用的瑞利-里查遜不穩(wěn)定條件是指______不穩(wěn)定。4.數(shù)值格點(diǎn)上的點(diǎn)值模型方法主要有______和______兩種主要類型。5.大氣模式中的陸面過程參數(shù)化主要模擬地表與大氣之間的______、______和______等交換過程。6.蒸發(fā)冷卻和凝結(jié)放熱是大氣非絕熱過程中兩種主要的______過程。7.氣象預(yù)報(bào)模型輸出結(jié)果通常需要經(jīng)過______后，才能用于實(shí)際預(yù)報(bào)應(yīng)用。8.評(píng)估天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的常用指標(biāo)有均方根誤差（______）和平均絕對(duì)誤差（______）。9.蝴蝶效應(yīng)形象地說明了大氣系統(tǒng)______的敏感性，是______理論的重要體現(xiàn)。10.輻射參數(shù)化方案需要考慮的主要物理過程包括短波輻射和______輻射的吸收、散射及傳輸。三、名詞解釋（請給出下列名詞的簡要定義）1.絕對(duì)渦度2.積云對(duì)流參數(shù)化3.模式分辨率4.可預(yù)報(bào)性5.數(shù)據(jù)同化四、簡答題（請簡要回答下列問題）1.簡述流體力學(xué)中的連續(xù)方程的物理意義。2.比較對(duì)流層大氣和平流層大氣的溫度垂直分布特征及其主要原因。3.簡要說明數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中物理過程參數(shù)化的必要性及其面臨的挑戰(zhàn)。4.解釋什么是模式初始誤差，并簡述其在天氣預(yù)報(bào)中的影響。5.列舉至少三種影響天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的主要因素。五、論述題（請就下列問題進(jìn)行較為深入的闡述）1.論述大氣輻射過程（包括吸收、散射、透射）在天氣預(yù)報(bào)模型中的作用及其復(fù)雜性。2.選擇一種具體的氣象要素（如降水預(yù)報(bào)），結(jié)合其主要影響因素，論述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型在該要素預(yù)報(bào)中的基本思路和面臨的挑戰(zhàn)。3.結(jié)合可預(yù)報(bào)性理論，討論提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的可能途徑和限制因素。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.C6.A7.D8.B9.B10.D二、填空題1.運(yùn)動(dòng)方程，連續(xù)方程，熱力學(xué)方程2.9.83.絕對(duì)4.有限差分法，有限體積法(或譜方法)5.輻射，感熱，潛熱6.非絕熱7.客觀訂正(或主觀訂正)8.RMSE，MAE9.初始條件，混沌10.長波三、名詞解釋1.絕對(duì)渦度：氣塊本身旋轉(zhuǎn)的角速度，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。2.積云對(duì)流參數(shù)化：在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中，用于模擬大尺度模式無法直接分辨的積云對(duì)流對(duì)整個(gè)大氣環(huán)流影響的數(shù)學(xué)方法。3.模式分辨率：指數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型在空間上劃分的格點(diǎn)間距或時(shí)間步長的大小。4.可預(yù)報(bào)性：指在給定初始條件和模型的情況下，對(duì)大氣狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)所能達(dá)到的最長準(zhǔn)確時(shí)間。5.數(shù)據(jù)同化：將觀測信息有效地融入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型，以改進(jìn)模式初始場或提供模型校正的一種技術(shù)。四、簡答題1.簡述流體力學(xué)中的連續(xù)方程的物理意義。解析思路：連續(xù)方程源于質(zhì)量守恒定律。對(duì)于可壓縮流體（如大氣），它表達(dá)了單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)控制體積的質(zhì)量通量變化率等于該控制體積內(nèi)質(zhì)量的減少率。在氣象學(xué)中，它描述了大氣密度的垂直變化率與水平散度之間的關(guān)系，即大氣密度的變化是由水平輻合輻散引起的。其核心意義在于保證了在數(shù)值模擬能量守恒的同時(shí)，也滿足了大氣的質(zhì)量守恒原理。2.比較對(duì)流層大氣和平流層大氣的溫度垂直分布特征及其主要原因。解析思路：首先分別描述兩層的溫度特征。對(duì)流層：溫度隨高度升高而降低，平均每升高1千米下降約6.5K。平流層：溫度在底層（對(duì)流層頂附近）隨高度升高而快速升高，進(jìn)入平流層后，由于臭氧大量吸收紫外線而加熱大氣，溫度再次隨高度升高而升高。然后解釋原因：對(duì)流層溫度變化主要受地面加熱和大氣環(huán)流影響，氣塊上升冷卻。平流層溫度升高的主要原因是臭氧層吸收太陽短波輻射（紫外線）并轉(zhuǎn)化為熱能。3.簡要說明數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中物理過程參數(shù)化的必要性及其面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：必要性：數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型只能直接求解控制大氣運(yùn)動(dòng)的宏觀方程（運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程、熱力學(xué)方程等），而許多重要的物理過程（如輻射傳輸、云和降水形成、積云對(duì)流、蒸發(fā)、凝結(jié)、陸面過程等）發(fā)生在比模式網(wǎng)格尺度小得多的微觀尺度上，模型無法直接分辨和模擬這些過程，因此需要參數(shù)化方案來近似地描述這些微觀過程對(duì)宏觀環(huán)流的影響。挑戰(zhàn)：參數(shù)化方案依賴于簡化的物理假設(shè)，難以完全精確地描述復(fù)雜的微觀物理過程；參數(shù)化方案本身存在誤差，且其誤差隨時(shí)間和空間變化；參數(shù)化方案對(duì)模式分辨率和初始場細(xì)節(jié)敏感。4.解釋什么是模式初始誤差，并簡述其在天氣預(yù)報(bào)中的影響。解析思路：模式初始誤差是指模式初始時(shí)刻對(duì)大氣真實(shí)狀態(tài)描述的不精確性，來源于觀測資料的誤差、觀測資料在時(shí)空分布上的不均勻性以及觀測資料與模式變量之間的插算誤差等。影響：根據(jù)混沌理論，即使是很小的初始誤差，隨著時(shí)間的推移，也會(huì)按指數(shù)規(guī)律迅速增長，導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果與真實(shí)狀態(tài)產(chǎn)生巨大偏差。這就是天氣預(yù)報(bào)存在有限預(yù)報(bào)時(shí)效的根本原因，初始誤差的大小直接影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可用時(shí)效。5.列舉至少三種影響天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的主要因素。解析思路：從模型本身和外部因素兩方面考慮。模型因素：①模式物理參數(shù)化方案的誤差；②模式分辨率不足，無法分辨關(guān)鍵天氣系統(tǒng)；③模式動(dòng)力學(xué)近似帶來的誤差。外部因素：①初始場資料的質(zhì)量和時(shí)空分辨率限制；②大氣過程的非線性特性導(dǎo)致預(yù)測困難；③大氣中存在模型無法完全模擬的小尺度過程（如混沌運(yùn)動(dòng)）。五、論述題1.論述大氣輻射過程（包括吸收、散射、透射）在天氣預(yù)報(bào)模型中的作用及其復(fù)雜性。解析思路：作用：①輻射過程是大氣能量平衡的基礎(chǔ)，決定了地表和大氣各層的能量收支，直接影響氣溫分布；②短波輻射（太陽輻射）決定了到達(dá)地表的能量，影響地表溫度和蒸發(fā)；③長波輻射（地球輻射）及其在大氣和地表間的交換，是大氣主要的能量傳遞方式，影響大氣溫度結(jié)構(gòu)；④輻射過程與大氣成分（水汽、二氧化碳、臭氧等）密切相關(guān)，其變化也反映了大氣狀態(tài)。復(fù)雜性：①大氣中的氣體分子、云滴、氣溶膠等對(duì)不同波段的輻射具有選擇性吸收和散射能力，使得輻射傳輸過程非常復(fù)雜；②輻射過程是高度非線性的，例如云層對(duì)太陽輻射的反射（反照率）會(huì)顯著改變地表能量平衡；③準(zhǔn)確計(jì)算輻射過程需要考慮多普勒效應(yīng)、相干散射等復(fù)雜物理機(jī)制；④模式中需要區(qū)分不同路徑（直射、散射）、不同高度、不同氣態(tài)/固態(tài)成分的輻射計(jì)算，參數(shù)化方案也需考慮氣溶膠等對(duì)輻射的影響。2.選擇一種具體的氣象要素（如降水預(yù)報(bào)），結(jié)合其主要影響因素，論述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中該要素預(yù)報(bào)的基本思路和面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：選擇降水預(yù)報(bào)。基本思路：①模型通過求解流體力學(xué)和熱力學(xué)方程，模擬大氣運(yùn)動(dòng)和溫濕場變化；②當(dāng)模型模擬的溫濕場滿足一定的不穩(wěn)定條件（如達(dá)到露點(diǎn)溫度、滿足對(duì)流不穩(wěn)定條件）時(shí)，觸發(fā)積云對(duì)流的發(fā)展；③模型中的云和降水參數(shù)化方案根據(jù)大尺度環(huán)境條件（如水汽通量、垂直速度、溫度梯度等）和微物理過程（如云凝結(jié)核濃度、冰相過程等），計(jì)算云的生成、發(fā)展和降水效率，輸出降水預(yù)報(bào)場。面臨的挑戰(zhàn)：①降水是典型的中小尺度現(xiàn)象，受地形、下墊面等局部因素影響顯著，而NWP模式分辨率有限，難以完全捕捉這些細(xì)節(jié)；②積云對(duì)流參數(shù)化方案本身存在較大不確定性，對(duì)大尺度環(huán)境條件極為敏感，導(dǎo)致降水預(yù)報(bào)的偏差和誤差放大；③降水類型（雨、雪、冰雹）和強(qiáng)度（小雨、暴雨）的預(yù)報(bào)是難點(diǎn)，需要更精細(xì)的微物理過程描述；④初始場對(duì)降水預(yù)報(bào)（尤其是強(qiáng)降水）的影響尤為突出。3.結(jié)合可預(yù)報(bào)性理論，討論提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的可能途徑和限制因素。解析思路：可預(yù)報(bào)性理論指出，由于大氣系統(tǒng)的混沌特性，初始誤差會(huì)隨時(shí)間指數(shù)增長，導(dǎo)致預(yù)報(bào)精度有限。提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的途徑：①提高初始場質(zhì)量：通過改進(jìn)觀測系統(tǒng)（增加觀測密度、時(shí)空分辨率，使用更先進(jìn)的觀測手段如衛(wèi)星、雷達(dá)、探空等），提高觀測資料的準(zhǔn)確性和代表性，并應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化技術(shù)，更有效地融合觀測信息到模式中，減小初始誤差。②提高模式水平：改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型本身，