2025年大學(xué)《海洋科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——海洋環(huán)境模擬及數(shù)值模型考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.海洋環(huán)境模擬的主要目的是（）。A.精確預(yù)測(cè)未來(lái)每一天的海洋溫度B.理解海洋現(xiàn)象的物理和生物過(guò)程及其相互作用C.為特定海域進(jìn)行詳細(xì)的工程規(guī)劃設(shè)計(jì)D.確定海洋中所有化學(xué)物質(zhì)的exact濃度2.將連續(xù)的物理量場(chǎng)（如溫度、鹽度）在時(shí)間和空間上離散化，以便在計(jì)算機(jī)上求解的過(guò)程稱為（）。A.數(shù)值模擬能量守恒B.空間離散C.時(shí)間積分D.模型驗(yàn)證3.在有限差分法中，使用中心差分格式近似二階導(dǎo)數(shù)?2u/?x2，其截?cái)嗾`差通常為（）。A.一階B.二階C.三階D.四階4.對(duì)于顯式時(shí)間積分格式，為了保證數(shù)值穩(wěn)定性，時(shí)間步長(zhǎng)Δt的選擇通常受限于（）。A.空間網(wǎng)格大小Δx,Δy,ΔzB.模型所包含的物理過(guò)程特性C.計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量D.模型輸出的精度要求5.海洋混合層模型主要描述的是（）。A.海洋深層環(huán)流運(yùn)動(dòng)B.海表混合層的垂直結(jié)構(gòu)變化C.大氣與海洋之間的能量交換D.海洋生物的群體動(dòng)態(tài)6.數(shù)值模型輸出結(jié)果需要與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這個(gè)過(guò)程通常稱為（）。A.模型調(diào)試B.數(shù)據(jù)同化C.模型驗(yàn)證D.參數(shù)敏感性分析7.全球海洋環(huán)流模型（OGCM）旨在模擬的是（）。A.全球海洋表層溫度變化B.具體海域的潮汐現(xiàn)象C.全球海洋大尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)和transportsD.海洋中上層生物的垂直遷移8.數(shù)值模型邊界條件設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致（）。A.模型計(jì)算速度變慢B.模型輸出結(jié)果完全錯(cuò)誤C.模型產(chǎn)生不合理的數(shù)值擴(kuò)散D.模型內(nèi)存消耗增加9.模型不確定性主要來(lái)源于（）。A.計(jì)算機(jī)硬件性能限制B.模型本身簡(jiǎn)化、參數(shù)化方案及觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差C.模型開(kāi)發(fā)人員的編程水平D.模型無(wú)法處理的極端天氣事件10.海洋數(shù)值模擬在氣候變化研究中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在（）。A.直接預(yù)測(cè)未來(lái)海平面上升的具體數(shù)值B.模擬氣候變暖對(duì)海洋環(huán)流的影響C.計(jì)算海洋吸收CO2的確切速率D.為每個(gè)沿海國(guó)家制定詳細(xì)的防災(zāi)計(jì)劃二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.數(shù)值模擬的基石是________定律和________定律。2.有限體積法在求解域內(nèi)保證________的守恒。3.模型驗(yàn)證通常包括________檢驗(yàn)、________檢驗(yàn)和________檢驗(yàn)。4.描述海洋環(huán)流運(yùn)動(dòng)的基本方程是________方程組和________方程。5.混合層模型的建立通?；赺_______原理和________原理。三、名詞解釋（每題4分，共16分）1.數(shù)值離散2.控制方程3.數(shù)值穩(wěn)定性4.模型同化四、簡(jiǎn)答題（每題6分，共18分）1.簡(jiǎn)述有限差分法、有限體積法和有限元法在空間離散中的基本思想?yún)^(qū)別。2.為什么說(shuō)海洋環(huán)境模擬需要考慮多尺度過(guò)程？請(qǐng)舉例說(shuō)明。3.簡(jiǎn)述選擇海洋環(huán)境模擬模型時(shí)應(yīng)考慮的主要因素。五、計(jì)算題（8分）考慮一維穩(wěn)態(tài)溫度傳導(dǎo)問(wèn)題：?u/?x=0，在x=0處u=0，在x=L處u=U?。使用中心差分格式對(duì)空間進(jìn)行N等分離散（Δx=L/N），求解節(jié)點(diǎn)i（i=1,2,...,N-1）處的數(shù)值解表達(dá)式（無(wú)需求解具體數(shù)值）。六、論述題（16分）論述海洋環(huán)境模擬及數(shù)值模型在當(dāng)代海洋科學(xué)研究中的重要作用，并分析其在應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.A5.B6.C7.C8.C9.B10.B二、填空題1.牛頓；質(zhì)量守恒2.控制量3.事件；過(guò)程；統(tǒng)計(jì)4.Navier-Stokes；連續(xù)性5.上層控制；混合系數(shù)三、名詞解釋1.數(shù)值離散：將連續(xù)的時(shí)空變量（如時(shí)間、空間坐標(biāo)）及其對(duì)應(yīng)的連續(xù)物理量場(chǎng)離散化為有限個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的值，以便在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行求解的過(guò)程。2.控制方程：描述某一物理或現(xiàn)象基本規(guī)律的偏微分方程組，是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，例如流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程，熱傳遞的熱傳導(dǎo)方程等。3.數(shù)值穩(wěn)定性：指在數(shù)值模擬過(guò)程中，由于離散化引入的誤差在隨時(shí)間（或空間）推進(jìn)時(shí)是否能夠被有效控制，不隨時(shí)間無(wú)限制增長(zhǎng)的現(xiàn)象。4.模型同化：將觀測(cè)數(shù)據(jù)有效地融入數(shù)值模型預(yù)報(bào)過(guò)程中，以修正模型狀態(tài)或參數(shù)，從而提高模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的技術(shù)。四、簡(jiǎn)答題1.有限差分法：基本思想是用函數(shù)在某點(diǎn)的數(shù)值及其鄰近點(diǎn)的數(shù)值的差分商來(lái)近似該點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)。將求解域劃分為網(wǎng)格，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格點(diǎn)上的代數(shù)方程組進(jìn)行求解。有限體積法：基本思想是將求解域劃分為控制體積，通過(guò)對(duì)控制體積上積分形式的物理守恒定律（如質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒）進(jìn)行離散，得到每個(gè)控制體積上的代數(shù)方程。保證物理量在求解域上的整體守恒性是其核心特點(diǎn)。有限元法：基本思想是將求解域劃分為形狀簡(jiǎn)單的子區(qū)域（單元），在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)一個(gè)近似解函數(shù)（通?；诓逯岛瘮?shù)），然后將整個(gè)區(qū)域的待求解函數(shù)近似為這些單元近似解的線性組合，通過(guò)變分原理或加權(quán)余量法建立全局的代數(shù)方程組進(jìn)行求解。適用于復(fù)雜幾何形狀和邊界條件的問(wèn)題。2.海洋現(xiàn)象具有多時(shí)間尺度和空間尺度特征。例如，海浪是秒級(jí)到分鐘級(jí)的短期現(xiàn)象，而海洋環(huán)流則是月級(jí)到世紀(jì)級(jí)的長(zhǎng)期過(guò)程。赤道流是數(shù)千公里尺度的，而近岸的湍流則發(fā)生在米級(jí)尺度。模擬這些不同尺度的相互作用和影響需要考慮多尺度模型。例如，要模擬大尺度環(huán)流對(duì)區(qū)域海洋現(xiàn)象的影響，就需要在模型中同時(shí)包含大尺度環(huán)流場(chǎng)和區(qū)域細(xì)節(jié)。3.選擇海洋環(huán)境模擬模型時(shí)應(yīng)考慮：*研究目標(biāo)：模型需要解決的具體科學(xué)問(wèn)題是什么？例如，是研究大尺度環(huán)流還是局地現(xiàn)象？*時(shí)空尺度：研究的時(shí)空范圍和分辨率要求如何？模型能否支持所需的空間和時(shí)間步長(zhǎng)？*物理過(guò)程：模型包含哪些物理、化學(xué)、生物過(guò)程？這些過(guò)程對(duì)研究問(wèn)題是否重要？模型的簡(jiǎn)化是否合理？*數(shù)據(jù)可用性：是否有足夠高質(zhì)量和時(shí)空分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)模型、初始化模型和驗(yàn)證模型？*計(jì)算資源：模型的計(jì)算成本（CPU時(shí)間、內(nèi)存需求）是否在可接受的范圍內(nèi)？*模型成熟度與驗(yàn)證：模型是否經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證？其穩(wěn)定性和可靠性如何？*用戶技能：模型是否易于使用和維護(hù)？五、計(jì)算題?u/?x|?=(u???-u???)/(2Δx)≈(U?-0)/(2Δx)=U?/(2Δx)（對(duì)于穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，此近似在邊界處有誤差，但中心差分格式在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)二階準(zhǔn)確）代入Δx=L/N，得到?u/?x|?≈U?/(2L/N)=(U?N)/(2L)對(duì)于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i，利用中心差分近似源項(xiàng)（如果存在），或直接利用邊界條件影響，得到：u?=(U?/N)*(i-1/2)（注意：這是一個(gè)簡(jiǎn)化的穩(wěn)態(tài)解析近似，嚴(yán)格求解需要解代數(shù)方程組）六、論述題海洋環(huán)境模擬及數(shù)值模型在當(dāng)代海洋科學(xué)研究中扮演著至關(guān)重要的角色。首先，它們是研究海洋復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程和物質(zhì)循環(huán)機(jī)制不可或缺的工具。通過(guò)模擬，科學(xué)家可以探索觀測(cè)難以直接獲取的海洋內(nèi)部過(guò)程，如深海環(huán)流、中尺度渦動(dòng)力學(xué)、混合過(guò)程等，深化對(duì)海洋基本物理和生物地球化學(xué)過(guò)程的理解。其次，模型是預(yù)測(cè)未來(lái)海洋狀態(tài)和評(píng)估人類活動(dòng)影響的關(guān)鍵手段。例如，全球氣候模型包含海洋模塊，用于預(yù)測(cè)海平面上升、海洋酸化、變暖對(duì)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響等，為氣候變化應(yīng)對(duì)策略提供科學(xué)依據(jù)。再次，海洋數(shù)值模型廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境預(yù)報(bào)，如臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)、潮汐和海浪預(yù)報(bào)、有害藻華（赤潮）預(yù)警等，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、海上活動(dòng)（航運(yùn)、漁業(yè)）和海岸帶管理具有直接的應(yīng)用價(jià)值。最后，模型作為連接觀測(cè)和理論的橋梁，有助于發(fā)展新的海洋理論，并指導(dǎo)新的觀測(cè)計(jì)劃的設(shè)計(jì)。然而，海洋環(huán)境模擬及數(shù)值模型的應(yīng)用也面臨諸多挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)包括：模型本身的復(fù)雜性和簡(jiǎn)化。海洋系統(tǒng)極其復(fù)雜，涉及眾多物理、化學(xué)、生物過(guò)程及其相互作用，現(xiàn)有模型往往需要對(duì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化或參數(shù)化，這可能導(dǎo)致模型無(wú)法完全捕捉真實(shí)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)和內(nèi)在不穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)同化難題。高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)仍然稀缺，如何有效地將有限觀測(cè)融入海量模型數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的模型狀態(tài)估計(jì)和參數(shù)訂正，是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。模型不確定性。模型簡(jiǎn)化、參數(shù)化方案