2025年大學《應用氣象學》專業(yè)題庫——氣象監(jiān)測儀器技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.衛(wèi)星遙感中，用于獲取大氣垂直結(jié)構(gòu)信息的經(jīng)典方法是________探測。2.將大氣中水汽含量信息轉(zhuǎn)化為可探測電信號的常見技術(shù)是________敏感材料的應用。3.激光雷達（Lidar）利用激光與大氣粒子相互作用產(chǎn)生的________效應來探測大氣參數(shù)。4.自動氣象站（AWS）實現(xiàn)多要素自動觀測的關(guān)鍵技術(shù)之一是________傳感器網(wǎng)絡。5.在風場遙感中，聲學多普勒測風雷達（ADAR）利用________原理進行測風。6.為了提高氣象觀測資料的時空分辨率，現(xiàn)代氣象監(jiān)測系統(tǒng)強調(diào)________和________的觀測。7.傳感器小型化、低功耗和智能化是氣象監(jiān)測儀器發(fā)展的主要趨勢之一，這有利于實現(xiàn)________。8.比較傳統(tǒng)機械式氣壓計與現(xiàn)代電子氣壓計，后者通常具有________和響應更快的優(yōu)點。9.利用紅外吸收光譜原理探測大氣中特定氣體成分的儀器通常被稱為________。10.為了確保多源氣象觀測數(shù)據(jù)的一致性和可用性，必須進行嚴格的________。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.多普勒效應2.光譜儀3.無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）4.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制5.衛(wèi)星反演三、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述超聲波測雨傳感器的原理及其主要優(yōu)缺點。2.與傳統(tǒng)機械式風速計相比，激光多普勒測風（Lidar）技術(shù)有哪些顯著優(yōu)勢？3.自動氣象站（AWS）相比傳統(tǒng)人工氣象站有哪些突出的優(yōu)點？4.簡述氣象衛(wèi)星遙感在獲取大范圍、長時間序列大氣參數(shù)方面的重要作用。5.氣象監(jiān)測儀器在設計和應用中需要考慮哪些主要的性能指標？四、論述題（每題10分，共30分）1.論述近年來氣象監(jiān)測領(lǐng)域遙感技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)的主要特點及其意義。2.分析氣象監(jiān)測儀器小型化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展趨勢對現(xiàn)代氣象觀測體系帶來的影響。3.選擇一種你感興趣的現(xiàn)代氣象監(jiān)測儀器（如DIAL激光雷達、光纖傳感系統(tǒng)、新型輻射計等），論述其基本工作原理、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點及其在應用氣象學中的潛在價值和發(fā)展前景。五、案例分析題（15分）假設某區(qū)域氣象部門計劃建立一個小型山地氣象站網(wǎng)絡，用于監(jiān)測局部強降水、風切變等災害性天氣過程。請分析在選擇該網(wǎng)絡中使用的降水傳感器和風傳感器時，應分別考慮哪些技術(shù)因素？為什么？并簡要比較兩種傳感器（降水和風）在山地復雜環(huán)境下應用時可能面臨的主要挑戰(zhàn)及相應的技術(shù)應對思路。試卷答案一、填空題1.氣象雷達2.濕敏3.光散射4.無線5.多普勒6.多平臺；多要素7.基礎(chǔ)立體觀測網(wǎng)/立體觀測8.精度高9.氣體成分激光雷達/光譜分析儀10.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制二、名詞解釋1.多普勒效應：聲源或接收器相對介質(zhì)運動時，接收到的聲波頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。在氣象雷達中，利用此效應測量大氣中散射回波的多普勒頻移，從而推算出風場信息。2.光譜儀：一種能將混合光按波長（或頻率）分解成光譜，并進行檢測和分析的儀器。氣象領(lǐng)域常用光譜儀通過測量大氣對特定波長的電磁波輻射的吸收或散射來探測大氣參數(shù)（如溫度、濕度、氣體成分濃度等）。3.無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）：由部署在特定區(qū)域內(nèi)的大量低成本、低功耗、具有無線通信能力的微型傳感器節(jié)點組成，通過自組織網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)協(xié)同感知、采集、處理和傳輸環(huán)境信息（如氣象數(shù)據(jù)）的網(wǎng)絡系統(tǒng)。4.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：對氣象觀測數(shù)據(jù)在采集、傳輸、處理過程中可能出現(xiàn)的錯誤、異常、偏差等進行識別、評估、修正或剔除的過程，目的是保證氣象數(shù)據(jù)系列的質(zhì)量和可靠性。5.衛(wèi)星反演：指利用衛(wèi)星遙感器獲取的電磁波輻射信息，通過一定的物理模型或算法，反演（推算）出衛(wèi)星過境區(qū)域大氣、云、地表等參數(shù)（如氣溫、濕度、風場、云量、地表溫度等）的過程。三、簡答題1.超聲波測雨傳感器的原理及其主要優(yōu)缺點：*原理：利用超聲波發(fā)射器向空中發(fā)射超聲波脈沖，當超聲波脈沖遇到雨滴時發(fā)生反射，接收器接收反射回來的回波信號。通過測量超聲波在發(fā)射和接收之間的時間差（飛行時間），以及回波信號的強度、幅度等信息，可以計算雨滴的落速、大小分布等參數(shù)。*優(yōu)點：非接觸式測量，不受雨滴大小和形狀的限制，響應速度快，結(jié)構(gòu)相對簡單，不受灰塵、煙霧影響，維護量相對較小。*缺點：易受風的影響導致測風誤差；在干燥或小雨時探測能力較弱；測量精度受環(huán)境溫度、濕度影響；易受強風、冰雹等惡劣天氣破壞。2.與傳統(tǒng)機械式風速計相比，激光多普勒測風（Lidar）技術(shù)有哪些顯著優(yōu)勢？*空間分辨率高：可實現(xiàn)對風場空間結(jié)構(gòu)的精細探測，獲取風廓線、風切變等。*探測距離遠：不受地形限制，可進行超視距探測，獲取大范圍風場信息。*探測高度高：可直達大氣高層進行探測。*不干擾大氣：非接觸式測量，對大氣無擾動。*可測垂直風：通過掃描或差分技術(shù)，可同時獲取水平風和垂直風分量。*自動化程度高：可實現(xiàn)連續(xù)自動觀測。*缺點：成本較高，易受氣溶膠和云的影響，部分技術(shù)對降水也較敏感。3.自動氣象站（AWS）相比傳統(tǒng)人工氣象站有哪些突出的優(yōu)點？*觀測自動化：可實現(xiàn)氣溫、濕度、氣壓、風、降水、輻射等多種要素的自動、連續(xù)、無人值守觀測。*觀測時效性高：數(shù)據(jù)實時或近乎實時地傳輸，信息獲取快。*數(shù)據(jù)連續(xù)性、一致性好：克服了人工觀測因人員、時間、方法等因素導致的不穩(wěn)定性，保證了數(shù)據(jù)系列的連續(xù)和一致。*布設靈活：受地域限制較小，可在各種惡劣環(huán)境下布設，加密觀測網(wǎng)絡。*減少人力成本：長期運行可大大減少現(xiàn)場維護和人工觀測的人力投入。*缺點：初期建設成本較高；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制需要更嚴格的技術(shù)手段；部分復雜現(xiàn)象仍需人工輔助判斷。4.氣象衛(wèi)星遙感在獲取大范圍、長時間序列大氣參數(shù)方面的重要作用：*宏觀視野：提供全球或大范圍區(qū)域的觀測視野，能夠監(jiān)測天氣系統(tǒng)的生消演變?nèi)^程。*時間連續(xù)：可實現(xiàn)近乎連續(xù)的觀測，獲取長時間序列的氣候變化和天氣事件數(shù)據(jù)。*要素豐富：可同時獲取多種大氣參數(shù)（溫度、濕度、云、水汽、風場、氣溶膠等）。*獨特優(yōu)勢：在探測高空、極地、海洋、偏遠陸地等傳統(tǒng)地面觀測難以覆蓋的區(qū)域具有獨特優(yōu)勢。*服務廣泛：為天氣預報、氣候監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、水資源管理等領(lǐng)域提供重要的信息支持。5.氣象監(jiān)測儀器在設計和應用中需要考慮哪些主要的性能指標？*精度（Accuracy）：測量值與真值的接近程度。*分辨率（Resolution）：儀器能夠區(qū)分的最小測量值變化量。*穩(wěn)定性（Stability）：儀器在規(guī)定條件下，隨時間變化保持其性能（如零點、靈敏度）的能力。*響應時間（ResponseTime）：儀器對輸入信號變化做出響應所需的時間。*量程（Range）：儀器能夠測量的最小值到最大值的范圍。*抗干擾能力：儀器在存在電磁干擾、溫濕度變化、振動等不利因素時，保持測量性能的能力。*工作環(huán)境適應性：儀器能夠在規(guī)定的環(huán)境條件（溫度、濕度、風速、氣壓、防水防塵等級等）下正常工作的能力。*數(shù)據(jù)接口與傳輸能力：儀器輸出數(shù)據(jù)格式、接口類型以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴崟r性等。*可維護性與壽命：儀器的易維護程度和預期的使用壽命。四、論述題1.論述近年來氣象監(jiān)測領(lǐng)域遙感技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)的主要特點及其意義。*主要特點：*多平臺融合發(fā)展：不僅依賴衛(wèi)星（靜止、極軌、專用），還大力發(fā)展地面遙感（激光雷達、微波雷達、光纖傳感等）、空基遙感（飛機、無人機）以及?；b感平臺，形成多維度、立體化的觀測網(wǎng)絡。*高精度與高分辨率：傳感器技術(shù)不斷進步，空間、光譜、時間分辨率顯著提高，能夠更精細地刻畫大氣結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象。例如，高光譜衛(wèi)星、高分辨率成像雷達等。*新探測手段不斷涌現(xiàn)：光學相干層析成像（OCT）、差分吸收激光雷達（DIAL）在氣體成分和水汽探測中的應用，光纖傳感在分布式、高密度探測方面的應用等。*定量遙感深化：更加注重從定性探測向定量反演發(fā)展，利用更精確的物理模型和算法，提高遙感反演產(chǎn)品（如溫度、濕度廓線、云微物理參數(shù)）的準確性和可靠性。*與人工智能深度融合：利用AI技術(shù)進行復雜大氣現(xiàn)象的識別、大氣參數(shù)的反演、數(shù)據(jù)質(zhì)量的智能診斷和融合應用，提升遙感信息的挖掘和利用能力。*網(wǎng)絡化與智能化：遙感系統(tǒng)趨向網(wǎng)絡化部署和智能化管理，實現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)的自動融合、同化與應用。*意義：*極大地提升了氣象觀測系統(tǒng)的時空覆蓋能力和觀測能力，特別是對傳統(tǒng)地面觀測難以覆蓋的區(qū)域（如海洋、極地、高原）。*為數(shù)值天氣預報模式的初始場提供更精確、更全面的信息，提高預報準確率和精細化程度。*為氣象災害（如強對流、臺風、干旱、空氣質(zhì)量）的監(jiān)測、預警和評估提供了有力支撐。*推動了氣候變化研究，為氣候變化監(jiān)測、歸因和預測提供了長期、連續(xù)的觀測證據(jù)。*促進了環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)氣象、水文氣象等領(lǐng)域的交叉發(fā)展。*加速了氣象科技的創(chuàng)新發(fā)展，培養(yǎng)了對新技術(shù)敏感的專業(yè)人才。2.分析氣象監(jiān)測儀器小型化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展趨勢對現(xiàn)代氣象觀測體系帶來的影響。*小型化趨勢影響：*降低成本：單臺設備成本下降，便于大規(guī)模部署，形成密集觀測網(wǎng)絡。*提高機動性：小型儀器易于運輸和布設，適應各種復雜環(huán)境和應急觀測需求（如災害現(xiàn)場、移動觀測）。*能耗降低：通常功耗更低，更易于實現(xiàn)電池供電或太陽能供電，適合偏遠地區(qū)長期運行。*集成度提高：可將多種傳感器集成在一個小型平臺上，實現(xiàn)多要素綜合觀測。*挑戰(zhàn)：小型化可能影響儀器的測量精度和穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸和供電需進一步技術(shù)支持。*網(wǎng)絡化趨勢影響：*實現(xiàn)立體觀測：通過大量節(jié)點的部署，構(gòu)成從地面到高空、從海洋到陸地、從城市到鄉(xiāng)村的立體觀測網(wǎng)絡，獲取更全面、精細的時空信息。*提升數(shù)據(jù)連續(xù)性與覆蓋：大量節(jié)點的協(xié)同工作，保證了觀測的連續(xù)性和對稀疏地區(qū)的覆蓋。*促進數(shù)據(jù)融合：網(wǎng)絡化架構(gòu)為多源、多平臺數(shù)據(jù)的融合處理提供了基礎(chǔ)，提升信息利用效率。*實現(xiàn)分布式處理：部分數(shù)據(jù)處理可以在靠近數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡節(jié)點上進行，提高效率和實時性。*挑戰(zhàn)：網(wǎng)絡建設和管理復雜度高，數(shù)據(jù)傳輸、存儲和標準化面臨巨大壓力，網(wǎng)絡安全問題突出。*智能化趨勢影響：*提升觀測效能：通過智能算法實現(xiàn)儀器的自校準、自診斷、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，減少無效觀測，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。*優(yōu)化觀測策略：基于實時天氣狀況和預報需求，智能調(diào)度觀測網(wǎng)絡，優(yōu)化觀測資源配置。*挖掘數(shù)據(jù)價值：利用AI技術(shù)從海量觀測數(shù)據(jù)中自動識別關(guān)鍵天氣現(xiàn)象，提取復雜參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隱藏規(guī)律。*增強自主能力：智能儀器能夠部分自主決策，減少人工干預。*挑戰(zhàn)：對算法和計算能力要求高，需要大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)進行訓練，智能系統(tǒng)的可解釋性和可靠性有待提高。*綜合影響：三者相互促進，共同推動氣象觀測體系向更全面、更精細、更高效、更智能的方向發(fā)展，為現(xiàn)代氣象預報、預警、服務和科學研究提供更強大的數(shù)據(jù)支撐。3.選擇一種你感興趣的現(xiàn)代氣象監(jiān)測儀器（如DIAL激光雷達、光纖傳感系統(tǒng)、新型輻射計等），論述其基本工作原理、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點及其在應用氣象學中的潛在價值和發(fā)展前景。*選擇的儀器：差分吸收激光雷達（DIAL，DifferenceAbsorptionLidar）*基本工作原理：DIAL利用特定波長激光對大氣中某一種氣體成分（如水汽、臭氧、CO2、甲烷等）具有選擇性吸收的特性。通過發(fā)射兩束波長略有差異（一束為吸收波長，一束為非吸收或吸收很弱的“背景”波長）的激光脈沖進入大氣，并測量這兩束激光經(jīng)過相同路徑后到達接收器的信號強度（或返回率）。由于吸收波長的激光被目標氣體選擇性吸收，其信號強度會減弱；而非吸收波長的激光信號強度基本不受影響。通過精確測量兩束激光信號強度的差值（即“差值信號”），并利用Beer-Lambert定律，可以反演出大氣中目標氣體濃度的垂直分布。*關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點：*波長選擇技術(shù)：精確選擇對目標氣體具有良好選擇性吸收特征的激光波長對測量至關(guān)重要。這需要深入理解大氣光譜學和目標氣體的吸收譜線。*高功率、高亮度激光器：需要發(fā)射足夠強度的激光脈沖以獲得信噪比良好的探測信號，尤其是在遠距離或低濃度目標氣體探測時。*高精度、高時間分辨率的信號測量技術(shù)：需要精確測量微弱的差值信號，并對激光脈沖的往返時間進行精確計時，以確定探測高度。*快速掃描或跟蹤技術(shù)：為了獲取大氣垂直廓線，通常需要讓激光束快速掃描天頂方向（垂直掃描）或水平方向（水平掃描），或通過聲光調(diào)制器進行快速頻率掃描。現(xiàn)代系統(tǒng)常采用MEMS掃描器等。*大氣透過率和路徑長度精確校準：需要考慮大氣中的氣溶膠、云等對激光的散射和吸收影響，以及大氣透過率的不確定性，進行精確校準，以獲得可靠的反演