2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——陸地地?zé)釢穸葘?duì)城市氣候環(huán)境的影響研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.大地?zé)崃?.城市熱島效應(yīng)(UHI)3.濕島效應(yīng)4.地?zé)崽荻?.耦合機(jī)制二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述城市環(huán)境下陸地地?zé)釄龅闹饕獊碓醇捌溆绊懸蛩亍?.闡述城市熱島效應(yīng)與濕島效應(yīng)可能存在的相互聯(lián)系。3.地下水的流動(dòng)對(duì)城市淺層地?zé)釄龊痛髿鉂穸扔泻斡绊懀?.簡要說明電阻率法在探測城市地下淺層地?zé)岙惓：蜐穸确植挤矫娴幕驹?。三、?jì)算題（每題8分，共16分）1.某城市測得地表溫度為30°C，地下10米處溫度為20°C，地下30米處溫度為15°C。請計(jì)算該地點(diǎn)從10米到30米的平均地?zé)崽荻群驮撋疃鹊钠骄販禺惓＃僭O(shè)地表溫度代表年平均氣溫，地溫異常定義為該深度溫度與根據(jù)地質(zhì)熱流模型計(jì)算的平衡溫度之差）。2.假設(shè)某城市區(qū)域地下飽和砂層中，地下水垂直向下流動(dòng)，流速為0.1m/day，該砂層的熱導(dǎo)率為2.5W/(m·K)，比熱容為4200J/(kg·K)，孔隙水的比熱容為4200J/(kg·K)，密度為1000kg/m3。請估算該地下水流對(duì)該砂層垂直方向?qū)崧实挠绊懴禂?shù)（即水流量對(duì)導(dǎo)熱率的貢獻(xiàn)部分，假設(shè)水與周圍介質(zhì)溫度相同且流動(dòng)充分）。四、論述題（每題12分，共24分）1.論述城市擴(kuò)張和人類活動(dòng)如何改變局地地表能量平衡和水分循環(huán)，進(jìn)而影響地?zé)釄龊痛髿鉂穸?，并分析這些改變可能對(duì)城市氣候產(chǎn)生哪些連鎖效應(yīng)。2.評(píng)述利用地球物理方法（如大地電磁測深、探地雷達(dá)、熱紅外成像等）研究城市地?zé)釢穸葓雒媾R的挑戰(zhàn)，并提出可能的改進(jìn)思路或多方法組合策略。試卷答案一、名詞解釋1.大地?zé)崃鳎旱厍騼?nèi)部熱能通過地表向外散發(fā)的速率，通常以瓦特每平方米（W/m2）為單位表示，是衡量地球內(nèi)部熱量輸出的重要指標(biāo)。2.城市熱島效應(yīng)(UHI)：城市區(qū)域相比周邊郊區(qū)的氣溫更高的現(xiàn)象，主要由城市下墊面性質(zhì)改變（如暗色屋頂、不透水地面）、人類活動(dòng)產(chǎn)生的人為熱、建筑對(duì)太陽輻射的吸收和再輻射增強(qiáng)等因素引起。3.濕島效應(yīng)：與城市熱島效應(yīng)相對(duì)，指城市區(qū)域相比周邊郊區(qū)空氣濕度更高的現(xiàn)象，通常與城市下墊面蒸散發(fā)增強(qiáng)（如綠化、灌溉、水體）、大氣污染物吸附水汽等因素有關(guān)。4.地?zé)崽荻龋旱厍騼?nèi)部溫度隨深度增加的速率，通常以攝氏度每百米（°C/100m）為單位表示，是反映地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。5.耦合機(jī)制：指地?zé)釄鲎兓c大氣濕度變化之間存在相互影響、相互制約的物理過程和聯(lián)系，例如，地?zé)岙惓？赡芨淖兙植看髿夥€(wěn)定度，進(jìn)而影響降水和濕度分布；反之，大氣濕度的變化也可能影響地表能量平衡和地?zé)釄龅姆植?。二、簡答題1.城市環(huán)境下陸地地?zé)釄龅闹饕獊碓醇捌溆绊懸蛩兀?主要來源：*地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的內(nèi)熱。*城市特殊活動(dòng)產(chǎn)生的熱，如交通、工業(yè)、建筑供暖/制冷、人類活動(dòng)等釋放的人為熱。*地下水的流動(dòng)和相變（如凍結(jié)/融化）伴隨的潛熱交換。*影響因素：*地質(zhì)構(gòu)造背景（如斷裂、巖漿活動(dòng)）。*城市下墊面性質(zhì)（如建筑密度、材質(zhì)、綠化覆蓋率、水體比例）。*人類活動(dòng)強(qiáng)度和類型（如能源消耗、工業(yè)布局、地下水開采/回灌）。*氣候條件（如降水、蒸發(fā)）。*地下水循環(huán)特征（流向上覆介質(zhì)的熱量傳遞）。2.城市熱島效應(yīng)與濕島效應(yīng)可能存在的相互聯(lián)系：*城市熱島產(chǎn)生的不穩(wěn)定大氣層結(jié)可能有利于水汽的垂直運(yùn)動(dòng)和抬升，增加降水概率，從而導(dǎo)致濕島效應(yīng)。*城市綠地、水體和灌溉等蒸散發(fā)過程增強(qiáng)，既貢獻(xiàn)于濕島效應(yīng)（增加近地面濕度），也通過消耗熱量有助于減弱局地?zé)釐u強(qiáng)度。*人為熱源可能同時(shí)加熱空氣和水體/土壤，共同促進(jìn)熱島和濕島效應(yīng)。*兩者相互影響程度取決于城市下墊面性質(zhì)、氣象條件（如降水、風(fēng)）、人類活動(dòng)模式等多種因素，關(guān)系可能復(fù)雜且區(qū)域差異顯著。3.地下水的流動(dòng)對(duì)城市淺層地?zé)釄龊痛髿鉂穸鹊挠绊懀?對(duì)地?zé)釄龅挠绊懀旱叵滤鲃?dòng)能顯著改變淺層地?zé)釄龅姆植肌Ｏ蛏狭鲃?dòng)的冷水會(huì)吸收上覆地層的熱量，導(dǎo)致局部地溫降低；向下流動(dòng)的熱水（或受污染的水）則會(huì)向周圍地層釋放熱量，導(dǎo)致局部地溫升高。地下水循環(huán)是城市淺層地?zé)豳Y源的主要載體，其流動(dòng)方向和速率決定了地?zé)岙惓５目臻g形態(tài)。*對(duì)大氣濕度的影響：地下水位線附近的飽和帶是大氣濕度的來源之一，通過蒸散發(fā)過程將水汽輸送到近地面大氣。城市地下水的開采會(huì)減少地表蒸散發(fā)源，而地下水回灌或滲漏則可能增加近地表濕度。地下水流向和地下水位變化影響區(qū)域水分循環(huán)，進(jìn)而影響濕度分布。4.電阻率法在探測城市地下淺層地?zé)岙惓：蜐穸确植挤矫娴幕驹恚?地電阻率法通過測量地下介質(zhì)對(duì)電流的阻礙程度（電阻率）來探測地下結(jié)構(gòu)變化。地下水的存在會(huì)顯著降低介質(zhì)的電阻率。因此，電阻率法可以通過探測電阻率異常來尋找地下水分布，而地下水的分布和流動(dòng)狀態(tài)與地?zé)釄雒芮邢嚓P(guān)。*通常，富含地下水的區(qū)域（如飽和砂層、淤泥層）電阻率較低，而相對(duì)干燥的土壤或基巖電阻率較高。通過電阻率測線或測網(wǎng)，可以勾勒出地下淺層地下水富集區(qū)的范圍和形態(tài)，這些區(qū)域往往對(duì)應(yīng)著潛在的地?zé)岙惓^(qū)（因?yàn)樗橇己玫膶?dǎo)熱體）。*結(jié)合地溫測量數(shù)據(jù)，電阻率法可用于推斷地下水流動(dòng)方向和速率，進(jìn)而分析其對(duì)地?zé)釄龇植嫉挠绊?。此外，某些特殊的電阻率成像技術(shù)（如頻率域電磁法）對(duì)介質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)更敏感，可能有助于間接評(píng)估含水層的活性（如氧化還原條件），從而輔助判斷地?zé)釥顟B(tài)。三、計(jì)算題1.計(jì)算：*平均地?zé)崽荻?(30°C-15°C)/(30m-10m)=15°C/20m=0.75°C/100m*假設(shè)根據(jù)地質(zhì)熱流模型計(jì)算的15°C深度處的平衡地溫為T_eq。地溫異常=實(shí)際溫度-平衡溫度=15°C-T_eq。*（注：由于未給出T_eq，無法計(jì)算具體地溫異常值，但計(jì)算公式和步驟如上。）2.計(jì)算：*地下水流動(dòng)對(duì)垂直方向?qū)崧实呢暙I(xiàn)部分（以q_v表示，單位W/(m2·K)）與水流量（Q，單位m/day或m/s）成正比。*水的比熱容c_w=4200J/(kg·K)=4.2kJ/(kg·K)。*水的密度ρ_w=1000kg/m3。*流速v=0.1m/day=0.1/86400m/s≈1.157×10??m/s。*q_v=ρ_w*v*c_w=1000kg/m3*(1.157×10??m/s)*(4.2×103J/(kg·K))*q_v≈4.86W/(m2·K)。*這表示僅考慮垂直向下流動(dòng)的地下水，其貢獻(xiàn)的導(dǎo)熱率約為4.86W/(m2·K)。四、論述題1.論述：*城市擴(kuò)張和人類活動(dòng)顯著改變了城市地表能量平衡和水分循環(huán)，進(jìn)而影響地?zé)釄龊痛髿鉂穸?。主要機(jī)制包括：*改變地表反照率和蒸散發(fā)：城市替換自然植被和土壤（如建筑、道路、瀝青），導(dǎo)致地表反照率降低，吸收更多太陽輻射，加劇城市熱島。不透水表面減少蒸散發(fā)，增加近地面濕度，形成濕島。綠地和水體增加則相反。*增加人為熱排放：交通、工業(yè)、空調(diào)、供暖等產(chǎn)生大量人為熱，直接加熱近地層空氣和地表，增強(qiáng)熱島效應(yīng)。*改變下墊面熱屬性：不同材質(zhì)和顏色的建筑、道路具有不同的熱容和熱導(dǎo)率，影響地表溫度日變化和年變化，進(jìn)而影響地?zé)釄觥?影響地下水循環(huán)：城市用水（生活、生產(chǎn)）導(dǎo)致地下水開采增加，地下水位下降，減少蒸散發(fā)，可能使淺層地?zé)釄鰷p弱或改變溫度分布。地下水回灌或污染則可能引入異常熱量或改變地下水流向，影響地?zé)釄龊退|(zhì)。*改變大氣邊界層結(jié)構(gòu)：建筑物群阻礙空氣流通，增強(qiáng)局地環(huán)流，影響污染物擴(kuò)散和濕度輸送。*連鎖效應(yīng)：*氣候效應(yīng)：熱島和濕島共同作用，可能改變局地降水格局（如熱力觸發(fā)降水），影響云量和太陽輻射，形成復(fù)雜的正負(fù)反饋。濕島可能提供更多水汽凝結(jié)核，增加降水概率。*水文效應(yīng)：地下水位變化影響地表徑流和土壤濕度，進(jìn)而影響蒸散發(fā)和局地氣候。*環(huán)境效應(yīng)：高溫高濕環(huán)境增加人體健康風(fēng)險(xiǎn)（如中暑、呼吸道疾?。?，加劇建筑物腐蝕和能耗。*資源效應(yīng)：地?zé)豳Y源可能因地下水開采/回灌而重新分布或改變溫度，影響其可持續(xù)利用。水資源也受氣候和地下水循環(huán)變化影響。2.論述：*挑戰(zhàn)：*空間分辨率與深度限制：城市環(huán)境電磁法、電阻率法等通常難以獲得足夠高的垂直分辨率以探測淺層地?zé)峒?xì)節(jié)；GPR主要用于淺層（幾米到十幾米），難以覆蓋顯著的地?zé)崽荻葏^(qū)域。*探測深度有限：大地?zé)崃鳒y量主要反映地殼深部（幾十到幾百米）的熱量平衡，難以直接反映城市淺層地?zé)釄龅木?xì)結(jié)構(gòu)。*環(huán)境噪聲干擾：城市電磁干擾嚴(yán)重（電力線、無線通信），影響電磁法數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；交通、人員活動(dòng)等振動(dòng)干擾GPR數(shù)據(jù)質(zhì)量。*多解性問題：地球物理反演通常存在多解性，單一方法難以唯一確定地下結(jié)構(gòu)和地?zé)釁?shù)，需要多方法結(jié)合和豐富的先驗(yàn)信息。*介質(zhì)非均勻性與各向異性：城市地下介質(zhì)由多種不同性質(zhì)材料（建筑垃圾、填土、不同地層）組成，空間分布復(fù)雜且不均勻，給模型建立和參數(shù)反演帶來困難。*地?zé)崤c濕度的耦合探測：單一地球物理方法通常難以同時(shí)有效區(qū)分地?zé)岙惓：蜐穸犬惓?，或難以直接量化兩者之間的耦合效應(yīng)。*改進(jìn)思路與多方法組合策略：*優(yōu)化數(shù)據(jù)采集：采用更高頻率的電磁裝置、高精度電法裝置、改進(jìn)的GPR天線和布局，以獲取更高分辨率和信噪比的數(shù)據(jù)。選擇合適的時(shí)間窗口，避開強(qiáng)電磁干擾。*發(fā)展先進(jìn)數(shù)據(jù)處理與反演技術(shù)：應(yīng)用迭代反演、正則化技術(shù)（如Tikhonov正則化、稀疏正則化）處理多解性問題。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能方法輔助數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別。*多物理場聯(lián)合反演：結(jié)合電阻率法、電磁法、GPR、地溫測量、遙感數(shù)據(jù)（熱紅外、微波）等多種信息，建立多物理場聯(lián)合反演模型，提高對(duì)地下結(jié)構(gòu)和地?zé)?濕度場聯(lián)合成像的精度。*結(jié)合數(shù)值模擬：將地球物理反演結(jié)果作為初始或