2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——?dú)庀髿饪茖W(xué)中的氣象氣氣氣模擬技術(shù)入門考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.數(shù)值模擬在氣象氣科學(xué)中的核心作用是（）。A.直接進(jìn)行天氣觀測B.精確預(yù)測未來天氣的每一點(diǎn)變化C.通過計(jì)算數(shù)學(xué)方程組模擬大氣運(yùn)動過程D.無需任何觀測數(shù)據(jù)的純粹理論推導(dǎo)2.以下哪一項(xiàng)不屬于數(shù)值模擬需要解決的關(guān)鍵數(shù)學(xué)問題？（）A.大氣基本方程的離散化B.時間積分方法的選擇C.模式物理過程的高精度參數(shù)化D.求解代數(shù)方程組的高效算法3.在氣象模擬中，模式“網(wǎng)格”指的是（）。A.模擬區(qū)域劃分成的最小研究單元B.計(jì)算中心處理器的數(shù)量C.輸出結(jié)果的可視化網(wǎng)格線D.輸入觀測數(shù)據(jù)的空間分布點(diǎn)4.“模式分辨率”的含義是（）。A.模式運(yùn)行所需的總計(jì)算時間B.模式能夠分辨出的最小物理尺度C.模式網(wǎng)格點(diǎn)在地球表面投影的緯度跨度D.模式輸出結(jié)果的總數(shù)據(jù)量5.大氣模擬中，對強(qiáng)對流云發(fā)展進(jìn)行參數(shù)化處理的主要目的是（）。A.完全精確地計(jì)算云內(nèi)每個水滴的運(yùn)動軌跡B.在無法進(jìn)行精細(xì)模擬的情況下，模擬其平均宏觀效應(yīng)C.代替所有動力學(xué)方程，簡化計(jì)算D.僅用于短期強(qiáng)降水天氣的臨近預(yù)報(bào)6.下列哪種模型通常具有最長的積分時間尺度？（）A.中尺度氣象模型B.全球氣候模型C.積云動力學(xué)模型D.邊界層氣象模型7.將大氣運(yùn)動的基本方程（如動量方程）從連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散點(diǎn)上的代數(shù)方程（組）的過程稱為（）。A.數(shù)值積分B.時間預(yù)報(bào)C.空間離散D.邊界條件設(shè)定8.在模擬技術(shù)的“入門”層面，對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證主要目的是（）。A.證明模型絕對正確無誤B.比較不同模型的優(yōu)劣C.確保模擬結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上與觀測有合理的偏差D.發(fā)現(xiàn)并修復(fù)模型中的所有編程錯誤9.氣象模擬中需要考慮的“陸面過程”主要涉及（）。A.大氣與海洋之間的熱量交換B.大氣與地表之間通過感熱和潛熱交換的能量和水汽過程C.地球自轉(zhuǎn)對風(fēng)場的影響D.平流輸送對溫度場的影響10.限制氣象模擬（尤其是長期模擬）精度的一個重要因素是（）。A.計(jì)算機(jī)硬件性能B.模式物理參數(shù)化方案的不確定性C.初始觀測數(shù)據(jù)的分辨率D.模式開發(fā)者個人經(jīng)驗(yàn)二、填空題（每空1分，共15分）1.數(shù)值模擬的三個基本步驟通常包括：模式初始化、______和結(jié)果輸出。2.數(shù)值模擬需要將連續(xù)的大氣運(yùn)動方程離散化到空間上的______和時間上的______上進(jìn)行求解。3.常用的模式物理過程參數(shù)化方案包括輻射參數(shù)化、______參數(shù)化、邊界層參數(shù)化、陸面過程參數(shù)化和______參數(shù)化等。4.根據(jù)模擬的空間尺度不同，可以將氣象模型大致分為全球模型、區(qū)域模型、中尺度模型和______模型。5.模擬結(jié)果的驗(yàn)證方法通常是將模擬輸出與相應(yīng)的______進(jìn)行比較，并計(jì)算相應(yīng)的______指標(biāo)。6.氣象模擬在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域主要應(yīng)用于______、短期和中期天氣預(yù)報(bào)，以及災(zāi)害性天氣預(yù)警。7.模式的“分辨率”越高，理論上意味著其能夠______的物理現(xiàn)象。三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.數(shù)值模擬（NumericalSimulation）2.大氣模型（AtmosphericModel）3.模式參數(shù)化（Parameterization）4.模式驗(yàn)證（ModelVerification）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述數(shù)值模擬的基本思想。2.簡述大氣模擬中一個典型的物理過程（如輻射傳輸）需要進(jìn)行參數(shù)化的原因。3.簡述全球大氣模型（GCM）與區(qū)域氣候模型（RCM）在模擬范圍和主要特點(diǎn)上的主要區(qū)別。4.簡述為什么氣象模擬結(jié)果的驗(yàn)證是一個必要且復(fù)雜的過程。五、論述題（10分）試述數(shù)值模擬技術(shù)在現(xiàn)代氣象氣科學(xué)發(fā)展中的作用、面臨的挑戰(zhàn)及其未來發(fā)展趨勢。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.A4.B5.B6.B7.C8.C9.B10.B二、填空題1.模式積分2.網(wǎng)格點(diǎn)，時間步長3.對流，水汽輸送4.局地（或嵌套）模型5.觀測數(shù)據(jù)，誤差6.長期天氣預(yù)報(bào)7.更精細(xì)三、名詞解釋1.數(shù)值模擬（NumericalSimulation）：指利用計(jì)算機(jī)，通過將描述自然現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程離散化并求解，來模擬和預(yù)測系統(tǒng)行為的過程。在氣象學(xué)中，指用數(shù)學(xué)方程組描述大氣狀態(tài)隨時間和空間的變化，并通過計(jì)算機(jī)求解這些方程，得到大氣狀態(tài)場（如溫度、壓力、風(fēng)等）的預(yù)報(bào)或診斷結(jié)果。2.大氣模型（AtmosphericModel）：指基于物理定律（主要是流體力學(xué)方程、熱力學(xué)方程等）和化學(xué)傳輸方程等，通過數(shù)學(xué)公式描述大氣現(xiàn)象和過程的計(jì)算工具。它可以是概念模型，也可以是復(fù)雜的數(shù)值模型，用于模擬、預(yù)報(bào)或研究大氣狀態(tài)和變化。3.模式參數(shù)化（Parameterization）：指將大氣中發(fā)生的大尺度過程分解為許多小尺度子過程，或者將無法直接在大氣模型網(wǎng)格尺度上解算的物理過程（如云的形成和演變、輻射在大氣中的傳輸、地表與大氣之間的熱量和水汽交換等）用簡化的數(shù)學(xué)公式或統(tǒng)計(jì)關(guān)系來表示的過程。參數(shù)化是數(shù)值模擬中不可或缺的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗鼜浹a(bǔ)了模型分辨率不足帶來的問題。4.模式驗(yàn)證（ModelVerification）：指將數(shù)值模擬產(chǎn)生的結(jié)果與實(shí)際觀測到的結(jié)果進(jìn)行比較，以評估模擬結(jié)果的可信度和模型性能的過程。目的是發(fā)現(xiàn)模型的優(yōu)勢和不足之處，為改進(jìn)模型提供依據(jù)，并確定模擬結(jié)果在應(yīng)用中的可靠性。四、簡答題1.簡述數(shù)值模擬的基本思想。數(shù)值模擬的基本思想是將描述系統(tǒng)運(yùn)動或演變的連續(xù)數(shù)學(xué)方程（如控制方程）應(yīng)用于一個有限的空間和時間范圍。首先，將連續(xù)的空間域離散化為網(wǎng)格點(diǎn)，將連續(xù)的時間域離散化為時間步長。然后，將連續(xù)的偏微分方程在網(wǎng)格點(diǎn)上轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程組。最后，通過迭代計(jì)算求解這些代數(shù)方程組，逐步推算出系統(tǒng)狀態(tài)在一系列離散時間和空間點(diǎn)上的值，從而模擬系統(tǒng)的時空演變過程。2.簡述大氣模擬中一個典型的物理過程（如輻射傳輸）需要進(jìn)行參數(shù)化的原因。輻射傳輸過程在大氣中涉及極其復(fù)雜的分子吸收、散射以及云、氣溶膠等非均勻介質(zhì)的影響。在目前的數(shù)值模擬中，由于計(jì)算分辨率有限，無法在模型網(wǎng)格尺度上精確解算每個分子層次的輻射傳輸細(xì)節(jié)。同時，輻射過程與大氣動力學(xué)、水汽分布、地表特性等緊密耦合，完全解析計(jì)算極為困難且耗資巨大。因此，需要采用參數(shù)化方法，用簡化的數(shù)學(xué)公式來估算網(wǎng)格箱內(nèi)平均的輻射收支（如感熱、潛熱通量）或直接估算總輻射量，以便將輻射過程對大氣狀態(tài)的影響納入模擬中。3.簡述全球大氣模型（GCM）與區(qū)域氣候模型（RCM）在模擬范圍和主要特點(diǎn)上的主要區(qū)別。全球大氣模型（GCM）的模擬范圍覆蓋整個地球大氣層，能夠模擬全球尺度的天氣和氣候現(xiàn)象，如季節(jié)變化、大氣環(huán)流基本特征等。但其水平分辨率相對較低（通常為幾百公里），對于區(qū)域尺度的細(xì)節(jié)和過程（如中小尺度天氣系統(tǒng)、地形強(qiáng)迫下的局地環(huán)流）無法分辨，需要依賴參數(shù)化方案來描述。區(qū)域氣候模型（RCM）的模擬范圍相對較小，聚焦于特定的地理區(qū)域（如一個國家、一個流域或一個氣候區(qū)），通常以更高的分辨率（幾十公里到幾公里）運(yùn)行，能夠更好地模擬區(qū)域內(nèi)的詳細(xì)地形、邊界條件以及中小尺度天氣過程。RCM通常作為GCM的嵌套模式使用，或直接使用再分析數(shù)據(jù)作為初始/邊界條件，其參數(shù)化方案通常更側(cè)重于區(qū)域特性。4.簡述為什么氣象模擬結(jié)果的驗(yàn)證是一個必要且復(fù)雜的過程。驗(yàn)證是確保數(shù)值模擬結(jié)果可靠性和有效性的關(guān)鍵步驟，其必要性在于：首先，模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確、是否可用，必須通過與獨(dú)立于模擬過程的實(shí)際觀測進(jìn)行比較才能確定。其次，模型本身存在系統(tǒng)和隨機(jī)誤差，驗(yàn)證有助于評估這些誤差的大小和性質(zhì)。其次，驗(yàn)證過程本身可以發(fā)現(xiàn)模型在物理過程描述、參數(shù)化方案選擇等方面的不足，為模型改進(jìn)提供方向。驗(yàn)證的復(fù)雜性體現(xiàn)在：觀測數(shù)據(jù)本身存在誤差和不確定性；如何選擇合適的觀測資料和驗(yàn)證指標(biāo)；如何進(jìn)行公平的比較（如考慮時空背景、統(tǒng)計(jì)顯著性）；如何區(qū)分是模型缺陷還是真實(shí)大氣現(xiàn)象的復(fù)雜性；以及對于不同應(yīng)用（如預(yù)報(bào)、研究）的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)可能不同。五、論述題試述數(shù)值模擬技術(shù)在現(xiàn)代氣象氣科學(xué)發(fā)展中的作用、面臨的挑戰(zhàn)及其未來發(fā)展趨勢。數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代氣象氣科學(xué)發(fā)展不可或缺的核心驅(qū)動力之一。其作用主要體現(xiàn)在：一是天氣預(yù)報(bào)方面，從最初的短期預(yù)報(bào)到現(xiàn)在的集合預(yù)報(bào)，數(shù)值模式是提供預(yù)報(bào)產(chǎn)品的關(guān)鍵工具，顯著提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和時效性。二是氣候研究方面，全球氣候模型（GCMs）是研究氣候變化原因、預(yù)測未來氣候趨勢、評估人類活動影響的主要手段。三是天氣氣候?yàn)?zāi)害預(yù)警方面，數(shù)值模式為臺風(fēng)、暴雨、寒潮、干旱等災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)評估提供了科學(xué)依據(jù)。四是大氣科學(xué)理論研究方面，模式可以作為“數(shù)值實(shí)驗(yàn)臺”，用于檢驗(yàn)和發(fā)展新的物理理論、參數(shù)化方案，模擬難以直接觀測的大氣過程，探索大氣運(yùn)動的內(nèi)在規(guī)律。五是環(huán)境科學(xué)研究方面，空氣質(zhì)量模型等模擬技術(shù)用于研究污染物的來源、輸送、轉(zhuǎn)化和沉降規(guī)律，為環(huán)境管理和決策提供支持。盡管數(shù)值模擬技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)：首先是模型分辨率與計(jì)算資源的矛盾，更高的分辨率意味著更精細(xì)的物理過程描述和更大的計(jì)算量，對計(jì)算能力要求極高。其次是參數(shù)化方案的不確定性，由于許多小尺度過程無法直接模擬，參數(shù)化方案對模擬結(jié)果影響巨大，但其本身包含較多假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)，精度有限且難以準(zhǔn)確確定。第三是初始和邊界條件的誤差，天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度受初始場質(zhì)量的影響很大（蝴蝶效應(yīng)），而全球范圍的邊界條件（如海表溫度、土壤濕度）也難以完全精確獲取。第四是模式可預(yù)報(bào)性的理論極限，大氣系統(tǒng)內(nèi)在的混沌特性決定了預(yù)報(bào)存在時間上限。第五是地球系統(tǒng)耦合的復(fù)雜性，將大氣、海洋、陸地、冰雪圈、生物圈等耦合成一個綜合地球系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬，面臨更大的挑戰(zhàn)。未來發(fā)展趨勢包括：一是持續(xù)提升計(jì)算能力，利用高性能計(jì)算、云計(jì)算等技術(shù)，支持更高分辨率、更復(fù)雜過程的模擬。二是改進(jìn)和優(yōu)化參數(shù)化方案，結(jié)合觀