2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——地球物理模型在氣候模擬中的應(yīng)用考試時(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)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.氣候模型中，用于描述大氣或海洋中熱量、動(dòng)量、鹽分等物理量垂直分布的數(shù)學(xué)工具主要是？A.集合論B.概率論C.偏微分方程D.線性代數(shù)2.在全球氣候模型（GCM）中，代表海洋圈的子模型通常被稱(chēng)為？A.大氣環(huán)流模型（AGCM）B.海洋環(huán)流模型（OGCM）C.陸地表面模型（LSM）D.冰雪模型（ISM）3.地球物理基本定律中，描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變與所受力之間關(guān)系的定律是？A.熱力學(xué)第一定律B.牛頓第二定律C.熱力學(xué)第二定律D.麥克斯韋方程組4.氣候模型中的“參數(shù)化”是指？A.對(duì)模型進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)B.將無(wú)法直接模式化的復(fù)雜物理過(guò)程用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式表示C.調(diào)整模型的計(jì)算步長(zhǎng)D.輸入觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)5.海氣相互作用中，海洋通過(guò)蒸發(fā)向大氣輸送水汽，水汽在大氣中凝結(jié)釋放潛熱，進(jìn)而影響大氣溫度和環(huán)流，這個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了？A.熱量平衡B.水分平衡C.角動(dòng)量守恒D.能量正反饋6.氣候模型模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在差異，其中由模型未能完全捕捉或簡(jiǎn)化處理的物理過(guò)程引起的誤差屬于？A.模型結(jié)構(gòu)不確定性B.參數(shù)不確定性C.隨機(jī)誤差D.觀測(cè)誤差7.氣候模型通過(guò)改變大氣中的溫室氣體濃度，模擬未來(lái)氣候變化情景，這種研究方法屬于？A.氣候診斷B.氣候預(yù)測(cè)C.敏感性試驗(yàn)D.氣候驗(yàn)證8.地球物理模型中，處理太陽(yáng)輻射在大氣層中吸收、散射和反射過(guò)程的模型通常指？A.輻射傳輸模型B.邊界層模型C.大氣動(dòng)力學(xué)模型D.化學(xué)傳輸模型9.全球變暖背景下，冰川融化加速，導(dǎo)致海平面上升，這體現(xiàn)了氣候系統(tǒng)內(nèi)部不同組成部分之間的？A.耦合效應(yīng)B.獨(dú)立演化C.能量損失D.動(dòng)量交換10.利用多套不同的氣候模型進(jìn)行模擬，并對(duì)它們的模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，目的是為了？A.提高單模型的計(jì)算效率B.檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性C.評(píng)估和減少模型的不確定性D.比較不同模型的計(jì)算速度二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題干橫線上）1.氣候模型通常需要對(duì)大氣、海洋、陸地、冰雪圈和_________等主要圈層進(jìn)行模擬和耦合。2.氣候模型中的輻射傳輸過(guò)程主要涉及對(duì)太陽(yáng)短波輻射和地球長(zhǎng)波輻射的_________、吸收和散射。3.模型參數(shù)化方案的選擇對(duì)氣候模擬結(jié)果有重要影響，參數(shù)的不確定性是氣候模型面臨的主要挑戰(zhàn)之一。4.地球物理模型在氣候模擬中的應(yīng)用，需要遵循基本的物理定律，如_________定律、熱力學(xué)定律和流體力學(xué)定律等。5.氣候模型結(jié)果的驗(yàn)證通常通過(guò)與長(zhǎng)期的、全球性的_________數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。6.氣候模型可以用來(lái)研究不同強(qiáng)迫因素（如溫室氣體濃度、土地利用變化）對(duì)氣候系統(tǒng)的影響。7.海氣相互作用是氣候系統(tǒng)中最重要、最復(fù)雜的相互作用之一，它影響著全球_________和_________的分布。8.氣候模型模擬過(guò)去氣候狀況，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)歷史氣候的模擬能力，這稱(chēng)為_(kāi)________。9.由于計(jì)算資源的限制，氣候模型的分辨率（即空間和時(shí)間的步長(zhǎng)）通常是有限的，這引入了_________誤差。10.氣候模型的發(fā)展趨勢(shì)包括提高分辨率、改進(jìn)參數(shù)化方案、發(fā)展更完善的_________耦合等。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述大氣環(huán)流模型（AGCM）的基本組成及其主要模擬的物理過(guò)程。2.解釋什么是氣候模型的參數(shù)化方案，并舉例說(shuō)明其在模擬水循環(huán)過(guò)程中的作用。3.描述海氣相互作用對(duì)全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響的幾個(gè)主要方面。4.簡(jiǎn)述進(jìn)行氣候模型敏感性試驗(yàn)的意義和方法。四、計(jì)算題（共10分）假設(shè)在一個(gè)簡(jiǎn)化的氣候模型中，某個(gè)地區(qū)的地面熱量平衡方程簡(jiǎn)化為：凈輻射吸收量=地面感熱通量+地面潛熱通量+地表溫度變化所儲(chǔ)存的熱量。已知某天該地區(qū)測(cè)得凈輻射吸收量為200W/m2，地面感熱通量為50W/m2。如果該地區(qū)地表溫度在1小時(shí)內(nèi)上升了0.5K，請(qǐng)計(jì)算該地區(qū)地面的平均潛熱通量是多少W/m2？(假設(shè)地表比熱容和熱傳導(dǎo)可以忽略)五、論述題（共30分）論述地球物理模型在理解和預(yù)測(cè)氣候變化中的作用、面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。請(qǐng)結(jié)合具體的物理過(guò)程或研究實(shí)例進(jìn)行分析。試卷答案一、選擇題1.C*解析思路：氣候模型的核心是利用數(shù)學(xué)方程（主要是偏微分方程）來(lái)描述地球氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過(guò)程。選項(xiàng)C正確。2.B*解析思路：GCM通常包含大氣模型（AGCM）和海洋模型（OGCM），分別模擬大氣圈和海洋圈。題目問(wèn)的是代表海洋圈的子模型。選項(xiàng)B正確。3.B*解析思路：牛頓第二定律（F=ma）是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，描述了力與物體加速度（即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變）的關(guān)系，是許多氣候模型中流體動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)。選項(xiàng)B正確。4.B*解析思路：參數(shù)化是將復(fù)雜的、無(wú)法直接在模型中解算的物理過(guò)程（如云的生成、輻射在大氣中的散射等）用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)代替，是模型不可或缺的一部分。選項(xiàng)B正確。5.D*解析思路：海洋蒸發(fā)加熱大氣，大氣水汽凝結(jié)釋放潛熱，這使得大氣能量增加，可能進(jìn)一步導(dǎo)致大氣運(yùn)動(dòng)加劇，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。選項(xiàng)D正確。6.A*解析思路：模型結(jié)構(gòu)不確定性指的是模型本身未能完全反映真實(shí)氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性（如子模型間的耦合方式、邊界條件設(shè)置等與實(shí)際有差異），這是固有誤差來(lái)源之一。選項(xiàng)A正確。7.C*解析思路：敏感性試驗(yàn)是指通過(guò)改變模型中的某個(gè)關(guān)鍵參數(shù)或強(qiáng)迫因素（如增加CO2濃度），觀察模型輸出的響應(yīng)變化，以了解氣候系統(tǒng)對(duì)該因素變化的敏感程度。選項(xiàng)C正確。8.A*解析思路：處理太陽(yáng)輻射在地球大氣中傳輸過(guò)程（吸收、散射、反射）的模型被稱(chēng)為輻射傳輸模型。選項(xiàng)A正確。9.A*解析思路：冰川融化（冰雪圈變化）導(dǎo)致海平面上升（海洋圈變化），這體現(xiàn)了不同圈層（冰雪圈、海洋圈）的變化會(huì)相互影響，即耦合效應(yīng)。選項(xiàng)A正確。10.C*解析思路：多模型集合（EnsemblePredictionSystem）的主要目的是通過(guò)運(yùn)行多個(gè)略有差異的模型，獲得模擬結(jié)果的概率分布，從而評(píng)估和量化模型的不確定性。選項(xiàng)C正確。二、填空題1.生物圈*解析思路：現(xiàn)代氣候模型通常考慮大氣圈、海洋圈、陸地表面（包括冰雪）、冰雪圈和生物圈這五個(gè)主要圈層的相互作用。2.傳輸*解析思路：輻射傳輸過(guò)程包括太陽(yáng)短波輻射從地表向上通過(guò)大氣層，以及地球自身發(fā)射的長(zhǎng)波輻射向下和向外通過(guò)大氣層的過(guò)程，涉及能量的吸收和散射。3.參數(shù)化*解析思路：將復(fù)雜過(guò)程簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)公式的步驟稱(chēng)為參數(shù)化，參數(shù)的選擇和確定對(duì)模擬結(jié)果影響巨大，其不確定性是模型的主要誤差來(lái)源之一。4.牛頓*解析思路：牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，在氣候模型描述流體運(yùn)動(dòng)（如大氣和海洋環(huán)流）時(shí)被廣泛應(yīng)用。5.觀測(cè)*解析思路：模型模擬結(jié)果必須與實(shí)際發(fā)生的氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)和評(píng)估模型的模擬能力。6.強(qiáng)迫*解析思路：氣候系統(tǒng)受到來(lái)自?xún)?nèi)部（如海表溫度梯度）和外部（如太陽(yáng)輻射、溫室氣體濃度、土地利用變化）的強(qiáng)迫因素影響，模型可用于研究這些強(qiáng)迫的作用。7.氣溫；降水*解析思路：海氣相互作用顯著影響著全球大氣環(huán)流，進(jìn)而決定了全球氣溫和降水的時(shí)空分布格局。8.氣候診斷*解析思路：利用模型模擬過(guò)去已發(fā)生的氣候狀況，是為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)歷史氣候的再現(xiàn)能力，這屬于氣候診斷的范疇。9.模格*解析思路：由于模型分辨率（空間格點(diǎn)大小、時(shí)間步長(zhǎng)）有限，無(wú)法精確描述所有細(xì)節(jié)，導(dǎo)致模擬結(jié)果與真實(shí)情況存在偏差，這種由分辨率限制引起的誤差稱(chēng)為模格誤差（GridResolvingError）。10.大氣-海洋-陸地-冰雪圈*解析思路：為了更真實(shí)地模擬地球氣候系統(tǒng)，發(fā)展更完善的、包含大氣、海洋、陸地、冰雪圈之間復(fù)雜相互作用的耦合模型是重要趨勢(shì)。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣環(huán)流模型（AGCM）的基本組成及其主要模擬的物理過(guò)程。*解析思路：AGCM通常由網(wǎng)格化的數(shù)值格點(diǎn)覆蓋全球，在每個(gè)格點(diǎn)上求解描述大氣運(yùn)動(dòng)和能量、水汽、動(dòng)量等物理量變化的控制方程組?；窘M成包括：大氣動(dòng)力學(xué)模塊（模擬風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)變化，基于牛頓定律和流體力學(xué)方程）、輻射模塊（計(jì)算太陽(yáng)和地球的長(zhǎng)波輻射收支）、熱力學(xué)模塊（計(jì)算大氣溫度、比濕變化，考慮熱量交換）、水汽和降水模塊（模擬水汽輸送、凝結(jié)、降水過(guò)程，涉及參數(shù)化方案）。主要模擬過(guò)程包括大氣環(huán)流的形成與演變、熱量和水汽在全球的輸送、天氣現(xiàn)象（如氣旋、反氣旋、降水）的模擬等。2.解釋什么是氣候模型的參數(shù)化方案，并舉例說(shuō)明其在模擬水循環(huán)過(guò)程中的作用。*解析思路：參數(shù)化方案是指將氣候系統(tǒng)中那些由于尺度太小或過(guò)程太復(fù)雜而無(wú)法在模型中直接求解的物理過(guò)程，用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式或統(tǒng)計(jì)關(guān)系來(lái)表示。其目的是將局地尺度的過(guò)程與全球模型的大尺度模擬聯(lián)系起來(lái)。在水循環(huán)中，參數(shù)化方案例如：蒸發(fā)參數(shù)化（根據(jù)溫度、濕度、風(fēng)速等計(jì)算地表蒸發(fā)量）、云凝結(jié)核生成參數(shù)化（根據(jù)大氣化學(xué)成分和氣象條件估算凝結(jié)核數(shù)量）、云輻射參數(shù)化（根據(jù)云的微物理特性計(jì)算云對(duì)輻射的影響）、降水觸發(fā)參數(shù)化（根據(jù)上升氣流強(qiáng)度、云滴大小等判斷是否發(fā)生降水）等。這些參數(shù)化方案決定了水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)的強(qiáng)度和效率，對(duì)模擬降水分布、蒸散發(fā)、土壤濕度等有決定性影響。3.描述海氣相互作用對(duì)全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響的幾個(gè)主要方面。*解析思路：海氣相互作用是氣候系統(tǒng)中最關(guān)鍵的耦合環(huán)節(jié)。主要影響包括：1）熱量交換：海洋吸收并儲(chǔ)存了大部分來(lái)自太陽(yáng)的多余熱量，并通過(guò)洋流將其輸送到全球，調(diào)節(jié)全球熱量分布；大氣通過(guò)感熱和潛熱交換與海洋交換熱量，影響大氣溫度和水汽含量。2）水汽交換：海洋是大氣水汽的主要來(lái)源，蒸發(fā)的水汽被大氣輸送，并在冷卻時(shí)凝結(jié)形成降水，影響全球水循環(huán)和大氣環(huán)流。3）動(dòng)量交換：海洋動(dòng)量對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)有摩擦作用，大氣也通過(guò)風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)海洋表面currents；海浪和潮汐也參與能量和動(dòng)量的交換。4）二氧化碳交換：海洋是大氣中二氧化碳的重要匯，吸收大氣中的CO2，影響全球碳循環(huán)和溫室效應(yīng)。這些相互作用共同塑造了地球的氣候狀態(tài)和年際、年代際變率。4.簡(jiǎn)述進(jìn)行氣候模型敏感性試驗(yàn)的意義和方法。*解析思路：敏感性試驗(yàn)的意義在于評(píng)估氣候系統(tǒng)對(duì)模型中某個(gè)關(guān)鍵參數(shù)、強(qiáng)迫因素或模型結(jié)構(gòu)的微小變化的響應(yīng)程度，有助于識(shí)別氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵反饋機(jī)制、量化模型的不確定性、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的合理性。常用方法包括：1）單一因素敏感性試驗(yàn)：保持模型其他所有設(shè)定不變，僅改變一個(gè)參數(shù)（如大氣環(huán)流參數(shù)、輻射參數(shù)）或強(qiáng)迫因素（如增加CO2濃度、改變土地利用類(lèi)型）的數(shù)值，比較模擬結(jié)果的變化。2）多因素敏感性試驗(yàn)：同時(shí)改變多個(gè)參數(shù)或強(qiáng)迫因素，研究它們之間的相互作用。3）極端參數(shù)試驗(yàn)：將某個(gè)參數(shù)設(shè)定在物理可能但較為極端的值，觀察模型的響應(yīng)，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性和物理一致性。通過(guò)這些試驗(yàn)，可以加深對(duì)氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理解。四、計(jì)算題假設(shè)在一個(gè)簡(jiǎn)化的氣候模型中，某個(gè)地區(qū)的地面熱量平衡方程簡(jiǎn)化為：凈輻射吸收量=地面感熱通量+地面潛熱通量+地表溫度變化所儲(chǔ)存的熱量。已知某天該地區(qū)測(cè)得凈輻射吸收量為200W/m2，地面感熱通量為50W/m2。如果該地區(qū)地表溫度在1小時(shí)內(nèi)上升了0.5K，請(qǐng)計(jì)算該地區(qū)地面的平均潛熱通量是多少W/m2？(假設(shè)地表比熱容和熱傳導(dǎo)可以忽略)*解析思路：1.根據(jù)題目給出的熱量平衡方程：凈輻射吸收量=感熱通量+潛熱通量+地表儲(chǔ)存的熱量。2.已知凈輻射吸收量Q_net=200W/m2，感熱通量Q_h=50W/m2。3.地表儲(chǔ)存的熱量Q_stored可以通過(guò)公式Q_stored=M*C*ΔT來(lái)計(jì)算，其中M是單位面積上的地表質(zhì)量（假設(shè)為1m2），C是地表比熱容，ΔT是地表溫度變化。4.題目假設(shè)忽略地表比熱容和熱傳導(dǎo)，這意味著Q_stored=0。5.將已知數(shù)值代入熱量平衡方程：200=50+Q_l+0。6.解此方程求潛熱通量Q_l：Q_l=200-50=150W/m2。*答案：該地區(qū)地面的平均潛熱通量是150W/m2。五、論述題論述地球物理模型在理解和預(yù)測(cè)氣候變化中的作用、面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。請(qǐng)結(jié)合具體的物理過(guò)程或研究實(shí)例進(jìn)行分析。*解析思路：地球物理模型，特別是全球氣候模型（GCMs），是研究氣候變化不可或缺的工具。*作用：*理解氣候系統(tǒng)：模型通過(guò)整合大氣、海洋、陸地、冰雪圈和生物圈的關(guān)鍵物理、化學(xué)過(guò)程，幫助我們理解這些子系統(tǒng)如何相互作用并共同決定地球氣候狀態(tài)。例如，通過(guò)模擬海氣相互作用，模型可以展示厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）現(xiàn)象的機(jī)制，解釋其如何影響全球氣候年際變率。模型也能模擬出溫室氣體增加導(dǎo)致地表和海洋變暖、冰川融化加速等物理過(guò)程，為觀測(cè)到的氣候變化提供機(jī)制解釋。*氣候預(yù)測(cè)：模型可用于預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化。通過(guò)輸入不同的溫室氣體排放情景（如RCPs或SSPs），模型可以模擬未來(lái)幾十年、幾百年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的氣候變化趨勢(shì)，如全球平均氣溫升高、極端天氣事件頻率增加等。例如，IPCC的報(bào)告就是基于多代氣候模型的集合模擬結(jié)果，為全球氣候政策提供科學(xué)依據(jù)。*歸因研究：模型用于區(qū)分氣候變化的自然變率（如太陽(yáng)活動(dòng)、火山噴發(fā)）和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)迫（主要是溫室氣體排放）的貢獻(xiàn)。通過(guò)建立“控制實(shí)驗(yàn)”（無(wú)人為強(qiáng)迫）和“歷史模擬”（包含人為強(qiáng)迫）進(jìn)行對(duì)比，模型可以量化人類(lèi)活動(dòng)對(duì)觀測(cè)到的氣候變化的影響。例如，模型研究表明，若無(wú)溫室氣體排放，20世紀(jì)的全球變暖將遠(yuǎn)小于實(shí)際觀測(cè)值。*面臨的挑戰(zhàn)：*分辨率限制：當(dāng)前計(jì)算資源限制下，模型分辨率不足以捕捉氣候系統(tǒng)中的