2025年大學(xué)《海洋技術(shù)》專業(yè)題庫——海洋環(huán)境模擬與預(yù)測研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項不屬于海洋環(huán)境模擬的主要物理過程？A.海水溫度鹽度分布變化B.海洋環(huán)流與混合C.海氣相互作用D.海洋生物群落演替2.在海洋環(huán)境數(shù)值模擬能夠穩(wěn)定運行的基本條件中，不包括：A.數(shù)值格式具有良好的守恒性B.時間步長選擇足夠小C.模型區(qū)域網(wǎng)格劃分越細(xì)越好D.模型參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確3.利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋表面溫度（SST）反演，主要依賴的物理基礎(chǔ)是：A.海洋熱力學(xué)平衡B.海洋光學(xué)特性C.水平熱傳導(dǎo)D.大氣輻射傳輸4.下列哪種觀測技術(shù)主要用于獲取水體內(nèi)部高精度的溫鹽廓線？A.海洋浮標(biāo)B.岸基雷達(dá)高度計C.溫鹽深（CTD）剖面儀D.遙感散射計5.海洋數(shù)據(jù)同化的主要目的是：A.完全替代數(shù)值模型進(jìn)行模擬B.將觀測數(shù)據(jù)直接插值到模型網(wǎng)格點C.優(yōu)化模型初始場和/或參數(shù)，提高模型預(yù)報技巧D.減少模型計算量6.對于海洋環(huán)流模擬，不包括以下哪種類型的模型？A.地轉(zhuǎn)流模型B.慣性流模型C.熱力學(xué)模型D.邊界層模型7.在海洋環(huán)境預(yù)測中，集合預(yù)報方法的主要優(yōu)勢在于：A.能夠提供唯一的確定性預(yù)報結(jié)果B.只適用于短期預(yù)報C.可以量化預(yù)報的不確定性D.預(yù)報精度總是高于確定性預(yù)報8.以下哪項技術(shù)不屬于海洋環(huán)境監(jiān)測的范疇？A.水文氣象浮標(biāo)陣列B.海洋生態(tài)調(diào)查船C.海岸線三維激光掃描D.艦載雷達(dá)測波9.評價海洋環(huán)境模擬結(jié)果可靠性的重要指標(biāo)不包括：A.預(yù)報偏差B.模型分辨率C.絕對誤差D.相對誤差10.海洋環(huán)境模擬與預(yù)測技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用不包括：A.輸電電纜布設(shè)環(huán)境評估B.海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計波浪載荷計算C.海岸帶侵蝕與防護工程效果模擬D.海洋生物多樣性實時動態(tài)監(jiān)測二、填空題（每空1分，共15分）1.海洋環(huán)境數(shù)值模擬通?；赺_________、__________和__________三大守恒定律建立控制方程。2.獲取全球海洋表面溫度場的主要遙感觀測衛(wèi)星傳感器有__________和__________。3.常用的海洋混合層模型有__________和__________兩種理論類型。4.海洋數(shù)據(jù)同化方法主要包括__________、__________和__________三種主要類型。5.海洋環(huán)境預(yù)測的不確定性主要來源于模型誤差、觀測誤差和__________。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述溫鹽深（CTD）剖面儀在海洋環(huán)境監(jiān)測中的作用。2.簡述地轉(zhuǎn)流模型的基本假設(shè)及其適用范圍。3.簡述海洋環(huán)境模擬中的網(wǎng)格生成方法及其對模擬結(jié)果的影響。4.簡述海洋環(huán)境預(yù)測與海洋環(huán)境模擬的主要區(qū)別。四、計算題（每題10分，共20分）1.已知某海域某時刻的水平流場由地轉(zhuǎn)平衡方程簡化得到，北向流速u和南向流速v分別為：u=-1.0sin(2πx/L)cos(2πy/L)m/sv=1.0cos(2πx/L)sin(2πy/L)m/s其中，x、y為笛卡爾坐標(biāo)系下的水平坐標(biāo)（單位：km），L=100km。試計算該時刻在坐標(biāo)點(x,y)=(50km,50km)處的流速矢量和地轉(zhuǎn)流速梯度（北向和東向分量）。（假設(shè)海水密度ρ=1025kg/m3，重力加速度g=9.8m/s2）2.設(shè)一個一維海洋混合層模型，其熱量平衡方程簡化為：dT/dt+w(dT/dz)=-Q其中，T為水溫（°C），t為時間（s），w為垂直流速（m/s，向上為正），z為垂直深度（m，上表面為z=0），Q為表面熱通量（W/m2）。已知某日表面熱通量Q=200W/m2，若無垂直混合（w=0），水溫在0-10m深度內(nèi)均勻增加，10m以下水溫保持為20°C。試定性描述在引入垂直混合w>0后，0-10m和10m以下水層的水溫變化趨勢，并簡述理由。五、論述題（每題15分，共30分）1.論述海洋環(huán)境模擬中尺度選擇問題及其對模擬結(jié)果的影響。2.論述海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)在提高海洋環(huán)流預(yù)報能力方面的作用機制及其面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.C5.C6.B7.C8.C9.B10.D二、填空題1.連續(xù)性，動量，能量2.AVHRR，MODIS3.混合層理論，湍流混合理論4.數(shù)據(jù)assimilation（最優(yōu)插值），集合卡爾曼濾波，粒子濾波5.模型外生的誤差（如邊界條件誤差）三、簡答題1.答：CTD剖面儀可同時測量海水的溫度（T）、鹽度（S）和壓力（由深度z反映），從而確定水體的基本物理性質(zhì)。它是獲取水體內(nèi)部（特別是深海和底層）溫鹽結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工具，為海洋環(huán)流研究、混合研究、水團識別、生物地球化學(xué)循環(huán)研究等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.答：地轉(zhuǎn)流模型的基本假設(shè)包括：①海水是無限深或水深遠(yuǎn)大于實際水深，忽略地形影響；②海水運動主要受地球自轉(zhuǎn)和水平氣壓梯度力驅(qū)動，水平摩擦力可忽略；③流體密度在垂直方向上均勻分布或分層均勻。該模型適用于開闊大洋的遠(yuǎn)海區(qū)域，以及風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動的大尺度環(huán)流分析，能很好地解釋科里奧利力對洋流的影響。3.答：海洋環(huán)境模擬中的網(wǎng)格生成方法主要有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（如矩形網(wǎng)格）和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（如三角形、四邊形、六面體網(wǎng)格等）。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格規(guī)則，易于生成和編程實現(xiàn)，計算效率較高，但難以精確貼合復(fù)雜海岸線。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格靈活，能較好地適應(yīng)復(fù)雜邊界，但生成和數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜。網(wǎng)格分辨率（格點間距）直接影響模擬的精度和計算量，分辨率越高，精度越高，但計算成本也越大。4.答：海洋環(huán)境模擬側(cè)重于利用數(shù)學(xué)模型和觀測數(shù)據(jù)，模擬海洋環(huán)境要素（如溫度、鹽度、流場等）隨時間和空間的變化過程，更強調(diào)對現(xiàn)狀的再現(xiàn)和對未來變化的預(yù)測。海洋環(huán)境預(yù)測是在模擬的基礎(chǔ)上，利用模型對未來狀態(tài)進(jìn)行定量或定性估計，更強調(diào)預(yù)報的準(zhǔn)確性和不確定性分析，通常需要結(jié)合數(shù)據(jù)同化等技術(shù)提高預(yù)報技巧。四、計算題1.答：(1)計算點(x,y)=(50km,50km)處的流速矢量：u=-1.0sin(2π*50/100)cos(2π*50/100)=-1.0*sin(π)*cos(π)=0m/sv=1.0cos(2π*50/100)sin(2π*50/100)=1.0*cos(π)*sin(π)=0m/s流速矢量為(0,0)m/s，即在該點處流速為零。(2)計算地轉(zhuǎn)流速梯度（設(shè)ρ=1025kg/m3,g=9.8m/s2）：地轉(zhuǎn)平衡方程簡化為：v/g*?u/?y=-u/g*?v/?x?u/?y=d(-1.0sin(2πx/L)cos(2πy/L))/dy=1.0*2π/L*cos(2πx/L)*cos(2πy/L)?v/?x=d(1.0cos(2πx/L)sin(2πy/L))/dx=-1.0*2π/L*sin(2πx/L)*sin(2πy/L)在(x,y)=(50km,50km)處：?u/?y|_(50,50)=1.0*2π/100*cos(π)*cos(π)=-0.02πm/s/m?v/?x|_(50,50)=-1.0*2π/100*sin(π)*sin(π)=0m/s/m北向（y向）地轉(zhuǎn)流速梯度：?u/?y*g/ρ=-0.02π*9.8/1025≈-0.00061m/s2東向（x向）地轉(zhuǎn)流速梯度：?v/?x*g/ρ=0*9.8/1025=0m/s2地轉(zhuǎn)流速梯度為(-0.00061,0)m/s2。2.答：(1)無垂直混合（w=0）時：dT/dt=-Q。水溫在0-10m和10m以下均為線性增加，10m以下水溫始終高于10m以上水層。(2)引入垂直混合w>0后：0-10m深度：熱量平衡方程變?yōu)閐T/dt+w(dT/dz)=-Q。由于w>0，混合作用將使0-10m水層內(nèi)部的水溫趨于均勻，并加速熱量向深層（z>10m）傳遞。因此，0-10m水層整體水溫會升高，但內(nèi)部梯度減小，表層水溫可能因與表層水交換而略有降低，但整體混合使該層更均勻。由于Q的存在，即使混合，0-10m平均水溫仍會下降。10m以下深度：熱量平衡方程變?yōu)閐T/dt+w(dT/dz)=-Q。此時，混合作用w不僅使熱量從10m處向下傳遞，也可能使10m附近的水溫影響更廣區(qū)域。但由于10m以下初始水溫較高，且Q項影響相對減弱（假設(shè)垂直混合強度可能隨深度減弱），混合作用將使10m以下的水溫略有下降或趨于與10m處更接近，但整體上仍高于0-10m水層。簡言之，垂直混合w>0將加劇0-10m水層與10m以下水層之間的熱量交換，使0-10m層更均勻且整體略有下降，使10m以下層的水溫略有下降或趨于均化，但均不利于維持原有的分層結(jié)構(gòu)。五、論述題1.答：海洋環(huán)境現(xiàn)象存在于不同的時間（從秒級的波動到百年以上的氣候變化）和空間（從微米級的顆粒輸運到全球環(huán)流）尺度上。模擬中尺度選擇是一個關(guān)鍵問題，它決定了模型能夠有效模擬哪些過程和現(xiàn)象。(1)尺度過濾：模型網(wǎng)格尺度必須足夠小，才能分辨和模擬目標(biāo)現(xiàn)象。如果網(wǎng)格尺度遠(yuǎn)大于目標(biāo)現(xiàn)象的尺度，模型將無法捕捉該現(xiàn)象，將其平均掉或忽略，導(dǎo)致模擬結(jié)果失真。例如，模擬海岸附近的強近岸流或小尺度混合現(xiàn)象，需要使用精細(xì)網(wǎng)格。(2)尺度耦合：海洋現(xiàn)象往往不是孤立存在的，不同尺度之間存在復(fù)雜的相互作用。例如，海氣相互作用涉及大氣邊界層（小尺度）和海表溫度（大尺度）的耦合；中尺度渦（中小尺度）的生成、發(fā)展和消亡與更大尺度的環(huán)流（大尺度）密切相關(guān)。模型需要選擇合適的嵌套或參數(shù)化方案來處理不同尺度間的耦合效應(yīng)。(3)計算成本：更小的時間步長和空間網(wǎng)格意味著更高的計算成本。模型開發(fā)者需要在模擬精度要求和計算資源限制之間進(jìn)行權(quán)衡，選擇能夠平衡模擬效果和計算效率的尺度。(4)模型分辨率要求：不同的研究目標(biāo)和問題對模型分辨率有不同要求。研究海洋環(huán)流需要比研究微塑料輸運需要更粗的網(wǎng)格。尺度選擇必須與研究目標(biāo)一致?？傊Ｑ蟓h(huán)境模擬中的尺度選擇直接影響模型的模擬能力、結(jié)果的可信度和計算效率。需要根據(jù)具體研究問題、目標(biāo)現(xiàn)象的尺度、可用的計算資源和數(shù)據(jù)來綜合確定模型的空間和時間分辨率。不當(dāng)?shù)某叨冗x擇會導(dǎo)致模擬結(jié)果遺漏關(guān)鍵過程或產(chǎn)生錯誤信號。2.答：海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)旨在將大量、多源、多平臺的觀測數(shù)據(jù)有效融入海洋模型中，以改進(jìn)模型狀態(tài)估計（初始場和背景場）和/或模型參數(shù)，從而提高海洋環(huán)境預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性。(1)作用機制：*改進(jìn)初始場：觀測數(shù)據(jù)提供了模型無法獨立獲得的“真實”海洋狀態(tài)信息。通過同化，可以將觀測信息訂正模型初始場，使其更接近真實狀態(tài)，從而提升后續(xù)短期的模型預(yù)報表現(xiàn)。*參數(shù)估計與優(yōu)化：許多海洋模型包含若干待定參數(shù)（如混合系數(shù)、擴散系數(shù)、生物生長率等）。同化算法可以通過分析觀測數(shù)據(jù)與模型預(yù)報之間的偏差，反演和優(yōu)化這些參數(shù)，得到更符合實際的參數(shù)集。*約束模型預(yù)報空間：同化可以將模型預(yù)報空間約束在觀測允許的范圍內(nèi)，減少預(yù)報的不確定性，尤其是在觀測密集的區(qū)域。*提供背景場：對于集合預(yù)報系統(tǒng)，同化可以為每個集合成員提供更準(zhǔn)確的初始背景場，從而提高集合成員之間的差異性（用于評估不確定性）和集合平均預(yù)報的準(zhǔn)確性。*修正模型誤差：通過持續(xù)同化，模型可以逐步學(xué)習(xí)并修正自身的系統(tǒng)偏差（模型誤差）。(2)面臨的挑戰(zhàn)：*觀測系統(tǒng)限制：觀測數(shù)據(jù)在空間和時間上通常存在稀疏性、不確定性（測量誤差、位置誤差）和異質(zhì)性（不同觀測平臺、不同測量原理）。如何有效利用這些有缺陷的觀測數(shù)據(jù)是同化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。*模型誤差：模型本身對物理過程和生物過程的描述不可能完全精確，存在系統(tǒng)偏差和隨