2025年大學《應用氣象學》專業(yè)題庫——氣象模型與數(shù)值預報技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內。）1.以下哪一項不是數(shù)值天氣預報（NWP）系統(tǒng)的主要組成部分？(A)氣象觀測網(wǎng)絡(B)數(shù)值模式(C)數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(D)天氣預報員的經(jīng)驗判斷2.大氣動力學模式主要解決的核心方程組是？(A)熱力學方程和輻射傳輸方程(B)歐拉方程組和納維-斯托克斯方程組(C)氣壓方程和風壓關系式(D)水汽守恒方程和降水形成方程3.在數(shù)值模式中，用于描述大氣垂直運動的參數(shù)化方案通常稱為？(A)輻射參數(shù)化方案(B)對流參數(shù)化方案(C)邊界層參數(shù)化方案(D)水汽輸送參數(shù)化方案4.數(shù)值天氣預報的初值分析階段，主要目的是什么？(A)產(chǎn)生最終的天氣預報產(chǎn)品(B)對觀測數(shù)據(jù)進行質量控制和插值(C)將模式方程離散化(D)進行模型積分5.有限差分法和譜方法是數(shù)值模式常用的兩種空間離散化方法，它們各自的主要區(qū)別在于？(A)有限差分法適用于粗網(wǎng)格，譜方法適用于細網(wǎng)格(B)有限差分法直接在網(wǎng)格點計算，譜方法在傅里葉空間計算(C)有限差分法物理意義清晰，譜方法計算效率高(D)有限差分法只考慮近鄰點，譜方法考慮全局相關性6.數(shù)值預報結果出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差的原因可能包括？(A)模式分辨率不足(B)模式物理過程參數(shù)化方案存在缺陷(C)觀測數(shù)據(jù)精度不高(D)以上所有原因7.集合預報系統(tǒng)的主要目的是？(A)提高短期天氣預報的準確性(B)產(chǎn)生一組概率預報(C)減少模式積分時間(D)專門預報極端天氣事件8.WRF模型中，“nest”選項的含義是？(A)模型的垂直層數(shù)(B)模型的水平分辨率(C)嵌套模式的啟用(D)模型的物理過程參數(shù)化方案9.描述大氣中水汽含量隨高度分布的常用參數(shù)是？(A)溫度露點(B)比濕(C)水汽壓(D)相對濕度10.再分析數(shù)據(jù)集的主要用途是什么？(A)直接提供未來的天氣預報(B)為數(shù)值模式提供初始場(C)評估數(shù)值預報結果(D)糾正觀測數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.數(shù)值天氣預報模式求解的核心是__________方程組和__________方程組。2.氣象模式中的“跳號”現(xiàn)象通常發(fā)生在__________區(qū)域或__________時段。3.數(shù)據(jù)同化技術的核心思想是__________，目的是融合觀測信息和模式信息。4.數(shù)值模式的水平離散網(wǎng)格系統(tǒng)主要有__________、__________和__________三種基本類型。5.用于描述大氣層結不穩(wěn)定性的重要參數(shù)是__________。6.集合預報中，引入隨機擾動的目的是為了模擬__________。7.大氣邊界層的主要特征是存在__________，其高度通常受__________影響。8.光學厚度是描述大氣對__________輻射吸收和散射能力的參數(shù)。9.數(shù)值模式中，處理水平方向動量通量輸送的方案通常屬于__________參數(shù)化范疇。10.全球大氣環(huán)流模式（GCM）是研究__________和__________變化的重要工具。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請給出定義。）1.數(shù)值天氣預報（NWP）2.模式初值3.水平網(wǎng)格距4.集合預報5.參數(shù)化四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答。）1.簡述數(shù)值天氣預報與天氣圖分析預報的主要區(qū)別。2.解釋什么是模式分辨率，并說明其與預報準確性的關系。3.列舉并簡要說明三種主要的對流參數(shù)化方案。4.說明數(shù)據(jù)同化在數(shù)值天氣預報中的作用。五、綜合題（每小題10分，共30分。請結合所學知識，分析和闡述。）1.試述影響數(shù)值天氣預報準確性的主要因素，并提出相應的改進途徑。2.闡述嵌套數(shù)值天氣預報模式的原理及其優(yōu)勢。3.結合大氣科學的應用需求，論述集合預報技術的意義和局限性。試卷答案一、選擇題1.(D)*解析：數(shù)值天氣預報系統(tǒng)主要基于觀測、模式和計算。天氣預報員的經(jīng)驗判斷是傳統(tǒng)預報方法的一部分，而非現(xiàn)代數(shù)值預報系統(tǒng)的核心組成部分。2.(B)*解析：大氣動力學研究大氣運動規(guī)律，其核心是描述動量、能量等守恒的物理方程，主要體現(xiàn)為歐拉方程組（描述流體運動）和納維-斯托克斯方程組（其在流體力學中的特例）。熱力學方程描述能量變化，輻射傳輸方程描述輻射過程，水汽/降水方程描述相變過程，這些屬于熱力學和輻射等領域。3.(B)*解析：對流參數(shù)化方案是數(shù)值模式中模擬大尺度天氣系統(tǒng)難以直接分辨的積云對流凝結過程的關鍵環(huán)節(jié)，用于參數(shù)化其對流對大氣的加熱、動量、水汽等的影響。4.(B)*解析：初值分析是數(shù)值預報的第一步，其核心任務是將稀疏、不規(guī)則的觀測數(shù)據(jù)進行質量控制、時空插值，并整合到模式的初始網(wǎng)格點上，形成連續(xù)、光滑、符合物理約束的模式初始狀態(tài)場。5.(B)*解析：有限差分法通過在規(guī)則的網(wǎng)格點網(wǎng)絡上求解差分方程來近似偏微分方程，而譜方法則將場變量展開為傅里葉級數(shù)，在頻域進行運算，然后再轉換回空間域。這是兩者最根本的區(qū)別。6.(D)*解析：系統(tǒng)性偏差指預報場整體性地偏離實況，可能由模式本身物理過程參數(shù)化偏差、分辨率不足導致對關鍵物理過程（如地形、邊界層）分辨率不夠、或初值分析引入系統(tǒng)性誤差等多種因素共同造成。7.(B)*解析：集合預報通過對初始場或模式參數(shù)引入小范圍的隨機擾動，運行多個平行模式，產(chǎn)生一組可能的預報結果，從而給出未來天氣狀態(tài)的概率分布，這正是其核心目的。8.(C)*解析：WRF模型中的"nest"（嵌套）功能允許用戶定義一個或多個子域，使用比主域更高分辨率的網(wǎng)格進行模擬，以在主域預報的基礎上，對預報員關心的區(qū)域進行更精細的刻畫。9.(B)*解析：比濕是指單位質量空氣中水汽的質量含量，是描述大氣中水汽含量最常用的參數(shù)之一，其值隨高度分布能反映大氣垂直結構的水汽狀況。10.(B)*解析：再分析數(shù)據(jù)集通過先進的四維數(shù)據(jù)同化技術，融合了長時間序列、多平臺、多類型的觀測資料和數(shù)值模式的信息，旨在重建過去一段時間的、連續(xù)且時空分辨率更高的“分析場”，為研究氣候、天氣現(xiàn)象提供高質量的背景場，也可用于評估模式。二、填空題1.非線性；線性（或熱力學）*解析：數(shù)值模式核心是求解描述大氣運動的控制方程組，主要包括非線性動力學方程（如絕熱動力學方程組）和線性或準線性熱力學方程（如熱力學方程）。2.模式計算域邊緣；模式積分后期（或模式不穩(wěn)定發(fā)展初期）*解析：“跳號”現(xiàn)象通常發(fā)生在模式向外邊界附近，由于邊界條件處理不當或計算誤差累積，導致解在邊界處出現(xiàn)劇烈跳變；也可能在模式積分初期，由于初始擾動發(fā)展或模式本身不穩(wěn)定導致。3.誤差修正（或最優(yōu)估計）*解析：數(shù)據(jù)同化的核心思想是通過最優(yōu)的方法，利用觀測信息修正模式的初始狀態(tài)或背景場，減小模式預報的誤差，得到比僅靠模式積分更準確可靠的分析場。4.棋盤格；網(wǎng)格點；棋盤格+邊界*解析：水平離散網(wǎng)格系統(tǒng)主要分為規(guī)則網(wǎng)格（如經(jīng)緯網(wǎng)格，又分全地網(wǎng)、半球網(wǎng)等，常稱為棋盤格或網(wǎng)格點）和不規(guī)則網(wǎng)格。嵌套模式通常在主模式網(wǎng)格基礎上增加一個或多個子模式網(wǎng)格。5.位溫層結（或環(huán)境位溫隨高度的變化）*解析：位溫層結是衡量大氣垂直穩(wěn)定性的重要指標，其垂直分布特征直接影響大氣對流活動的發(fā)生發(fā)展和強度。6.模式預報的不確定性（或混沌特性）*解析：大氣系統(tǒng)具有混沌特性，初始狀態(tài)的最微小擾動都可能隨時間指數(shù)級增長，導致未來狀態(tài)產(chǎn)生巨大差異。集合預報正是通過引入隨機擾動來模擬這種不確定性。7.邊界層；擺動（或日變化）*解析：大氣邊界層緊貼地表，其最顯著特征是與地表進行著持續(xù)的動量、熱量、水汽交換，存在明顯的邊界層高度。邊界層高度通常受日間加熱、地表類型等因素影響而呈現(xiàn)日變化。8.太陽輻射（或短波輻射）*解析：光學厚度主要描述大氣對來自太陽的短波輻射（波長較短的輻射）的吸收和散射程度，決定了大氣對可見光、紫外光等的透明度。9.動量（或風）*解析：處理水平動量通量（如u分量和v分量的動量通量）輸送的參數(shù)化方案，通常屬于動量參數(shù)化范疇，用于模擬由于摩擦、科里奧利力、溫度梯度等引起的動量交換。10.氣候變化；氣候變異*解析：GCM是研究大氣長期行為的重要工具，可用于模擬氣候變化（長時間尺度上的趨勢性變化）和氣候變化中的短期波動或極端事件（氣候變異）。三、名詞解釋1.數(shù)值天氣預報（NWP）：利用計算機對描述大氣運動的數(shù)學方程組進行數(shù)值積分，以預測未來一段時間內大氣狀態(tài)（如溫度、濕度、風、氣壓等）的方法。2.模式初值：指數(shù)值模式開始積分時所使用的、描述大氣狀態(tài)（包括氣象要素和動力場）的初始時刻的三維（或四維）場。初值的準確度直接影響短期預報的準確性。3.水平網(wǎng)格距：數(shù)值模式在水平方向上進行離散化時所采用的空間步長，即相鄰兩個水平網(wǎng)格點之間的距離，常用度（°）或公里（km）為單位。4.集合預報：一種產(chǎn)生一組（多個）可能的未來天氣預報的數(shù)值預報方法。它通過在初始場或模式參數(shù)上引入隨機擾動，運行多個獨立的模式實例，從而提供天氣狀態(tài)的概率預測。5.參數(shù)化：在數(shù)值模式中，將那些由于空間尺度太小而無法直接在模式網(wǎng)格上分辨的物理過程（如云、降水、對流、邊界層湍流、輻射過程等）的微物理效應，用簡化的數(shù)學公式或統(tǒng)計關系來描述和計算的過程。四、簡答題1.簡述數(shù)值天氣預報與天氣圖分析預報的主要區(qū)別。*解析：數(shù)值天氣預報依賴計算機自動進行，基于完整的物理方程組和觀測資料，通過數(shù)值積分得到預報結果，提供量化的、大范圍、長時間序列的預報產(chǎn)品；而天氣圖分析預報主要依靠預報員的經(jīng)驗和專業(yè)知識，通過分析繪制的手工或自動生成的天氣圖，定性或半定量地判斷天氣系統(tǒng)的發(fā)展和移動，預報范圍和時效相對較小，主觀性更強。2.解釋什么是模式分辨率，并說明其與預報準確性的關系。*解析：模式分辨率指數(shù)值模式在空間（水平網(wǎng)格距、垂直層數(shù)）和時間步長上所能分辨的物理現(xiàn)象的精細程度。分辨率越高，模式能模擬和計算更小尺度的細節(jié)。一般來說，更高的分辨率能更好地捕捉影響天氣變化的關鍵物理過程（如小尺度對流、地形影響），從而可能提高預報準確性，尤其是在預報影響局部天氣的小尺度系統(tǒng)時。但分辨率提高也會增加計算量，并非越高越好。3.列舉并簡要說明三種主要的對流參數(shù)化方案。*解析：*Kuo方案（或對流調整方案）：當大氣層結不穩(wěn)定且包含觸發(fā)機制時，該方案假設云中水汽凝結釋放的潛熱瞬間加熱整個上升氣流，使氣流加速上升，直到達到新的平衡。它簡單但能產(chǎn)生對流，對強對流預報能力較弱。*Tiedtke方案：改進了Kuo方案，引入了“凍結”假設（忽略云中水汽凝結），認為潛熱加熱只影響上升氣流的溫度，而不改變其相對濕度，從而更準確地描述了對流發(fā)展的動力過程。應用廣泛。*云物理參數(shù)化方案（如云微物理方案）：如Morrison方案等，不僅考慮了對流的發(fā)生和發(fā)展，還更詳細地模擬云滴的生成、增長、聚并直至降水的形成和降落過程，能更細致地描述云的宏觀特性和降水。4.說明數(shù)據(jù)同化在數(shù)值天氣預報中的作用。*解析：數(shù)據(jù)同化是連接觀測和數(shù)值模式的橋梁。它的主要作用是：1）利用觀測信息來修正模式初始場，使其更接近真實大氣狀態(tài)，從而提高后續(xù)短期數(shù)值預報的準確性；2）通過融合觀測和模式信息，產(chǎn)生時空連續(xù)的高質量“分析場”，可用于氣候研究、天氣分析等；3）評估觀測資料的質量和模式預報的誤差特性；4）發(fā)展更先進的預報技巧和模式系統(tǒng)。五、綜合題1.試述影響數(shù)值天氣預報準確性的主要因素，并提出相應的改進途徑。*解析：影響數(shù)值天氣預報準確性的主要因素包括：*初始場質量：觀測資料的時空分布不均、精度有限以及數(shù)據(jù)同化技術的局限性，導致初始場存在誤差，這是影響短期預報準確性的最主要因素。改進途徑：發(fā)展更先進的數(shù)據(jù)同化技術（如四維變分、集合卡爾曼濾波），優(yōu)化觀測網(wǎng)絡布局（增加觀測密度、類型），提高觀測精度。*模式物理過程參數(shù)化：模式無法直接分辨小尺度物理過程（如云、降水、對流、邊界層湍流等），需要用參數(shù)化方案進行模擬。參數(shù)化方案存在理論上的簡化，與真實物理過程存在偏差，是造成預報誤差（尤其是系統(tǒng)性偏差和中小尺度預報偏差）的重要原因。改進途徑：加強對微物理過程、邊界層過程、對流過程等的理論研究，發(fā)展更精確、更符合物理實際的參數(shù)化方案，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等方法改進參數(shù)化。*模式分辨率：分辨率低無法捕捉影響天氣的關鍵小尺度系統(tǒng)，導致預報失真。提高分辨率可以改善預報，但計算成本巨大。改進途徑：發(fā)展高效的數(shù)值計算方法（如并行計算），優(yōu)化硬件設施，在關鍵區(qū)域或時段采用嵌套模式提高局部分辨率。*模式方程和計算方法：模式采用的數(shù)學方程組（如對非線性項的處理）、離散化方法（差分、譜方法等）以及時間積分方案可能存在誤差或簡化。改進途徑：研究更精確的數(shù)值格式，改進模式動力學和熱力學框架。*外部強迫：如太陽活動變化、火山爆發(fā)等可能對大氣環(huán)流產(chǎn)生長期影響，現(xiàn)有模式對此類外部強迫的響應可能不夠準確。改進途徑：加強對外部強迫因素的研究，改進模式對此類因素的處理。*總結改進途徑：需要從觀測系統(tǒng)優(yōu)化、模式物理參數(shù)化改進、計算能力提升、模式理論方法發(fā)展、多模式集合預報等多個方面協(xié)同推進。2.闡述嵌套數(shù)值天氣預報模式的原理及其優(yōu)勢。*解析：嵌套數(shù)值天氣預報模式原理是指在主模式計算區(qū)域（使用較低分辨率網(wǎng)格）外，定義一個或多個子模式計算區(qū)域（使用更高分辨率網(wǎng)格），子模式區(qū)域的邊界緊鄰主模式區(qū)域。子模式使用與主模式相同的物理參數(shù)化方案，但其初始場由主模式的最終分析場提供，其側邊界條件由主模式預報場提供。在子模式積分過程中，其預報場也會影響主模式的側邊界條件（通常通過“外推”或“平均”處理）。這樣，通過主模式提供大尺度背景場和初始擾動，子模式在局部區(qū)域進行高分辨率模擬。*優(yōu)勢：*提高局部預報精度：高分辨率能更好地捕捉影響局部天氣的小尺度系統(tǒng)（如地形效應、小尺度對流復合體、鋒面結構等），從而顯著提高預報員關注區(qū)域的準確性。*增強預報可預報性：通過在關鍵區(qū)域提高分辨率，可能有助于捕捉并發(fā)展那些在大尺度背景下難以發(fā)展的中小尺度擾動，延長這些系統(tǒng)的可預報性。*提供精細化產(chǎn)品：能夠生成更高時空分辨率的預報產(chǎn)品，滿足城市精細化預報、特定災害性天氣預警等應用需求。*局限性：計算成本顯著增加，對計算資源要求更高；嵌套層次不宜過多，否則計算量會呈指數(shù)級增長；邊界條件處理對預報質量有影響。3.結合大氣科學的應用需求，論述集合預報技術的意義和局限性。*解析：意義：*提供概率預報：這是集合預報最核心的意義。由于大氣系統(tǒng)的混沌特性，初始微小的擾動會隨時間迅速放大，導致預報結果具有不確定性。集合預報通過運行多個包含不同初始擾動（或參數(shù)化方案擾動）的模式，生成一組可能的預報結果，可以給出未來天氣狀態(tài)（如降水是否發(fā)生、氣溫概率、極端天氣強度概率等）的概率分布，比單一的確定性預報更能反映真實世界的復雜性和不確定性，為決策者提供更全面的風險評估信息。*評估預報不確定性：集合預報不僅提供概率，也間接量化了模式