2025年大學(xué)《應(yīng)用氣象學(xué)》專業(yè)題庫——大氣環(huán)流模式及氣候變化預(yù)測技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.大氣環(huán)流模式（AGCM）通過數(shù)學(xué)方程模擬地球大氣系統(tǒng)的______、______和______等基本物理過程。2.氣候系統(tǒng)模式（GCM）通常包含大氣、海洋、陸面、冰雪圈和______等多個子模型，以模擬氣候系統(tǒng)的整體行為。3.模式參數(shù)化是指用數(shù)學(xué)公式或統(tǒng)計關(guān)系來模擬______中難以直接求解的物理過程。4.全球變暖的主要驅(qū)動力是大氣中______濃度的增加，它們吸收并重新輻射紅外輻射，導(dǎo)致地球系統(tǒng)能量失衡。5.氣候變化預(yù)測的不確定性主要來源于______不確定性、______不確定性和自然變率。6.統(tǒng)計降尺度方法主要利用高分辨率觀測數(shù)據(jù)來改進或轉(zhuǎn)換模式輸出的______氣候變量。7.在模式對比實驗中，通過改變某個強迫因素（如增加CO2濃度）而保持其他條件不變，以研究該強迫因素對氣候系統(tǒng)的影響，這種方法稱為______。8.大氣環(huán)流模式通常采用______坐標或______坐標來描述地球表面的網(wǎng)格點。9.模式積分的時間步長需要足夠小，以保證數(shù)值求解的______，避免產(chǎn)生虛假的數(shù)值振蕩。10.氣候變化的自然變率主要受到______和______等內(nèi)部因子以及太陽活動等外部因子的驅(qū)動。二、名詞解釋1.大氣環(huán)流模式（AGCM）2.氣候模態(tài)3.輻射強迫4.氣候預(yù)測的集合預(yù)報5.降尺度三、簡答題1.簡述大氣環(huán)流模式中輻射過程的簡化與參數(shù)化主要涉及哪些方面？2.比較集合天氣預(yù)報與單次確定性天氣預(yù)報在應(yīng)對氣候變化預(yù)測不確定性方面的優(yōu)勢。3.解釋什么是模式參數(shù)化？為什么需要參數(shù)化？舉例說明一個重要的模式參數(shù)化方案及其物理意義。4.描述全球變暖對極端天氣事件可能產(chǎn)生的影響，并列舉至少兩種可能的變化趨勢。5.簡述溫室效應(yīng)的物理原理。四、論述題1.論述大氣環(huán)流模式在模擬氣候變化方面所面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。2.結(jié)合實例，論述氣候變化預(yù)測結(jié)果的不確定性來源及其對應(yīng)用決策可能產(chǎn)生的影響。如何減少這些不確定性？3.選擇一個你感興趣的氣候研究領(lǐng)域（如云氣候?qū)W、海氣相互作用、極端事件預(yù)測等），論述該領(lǐng)域當前的研究熱點、主要利用的觀測資料和模式工具，以及面臨的科學(xué)問題。試卷答案一、填空題1.動力學(xué)循環(huán)污染2.冰雪圈3.大尺度過程4.溫室氣體5.模式參數(shù)6.邊界層7.氣候敏感性8.柱坐標網(wǎng)格坐標9.穩(wěn)定性10.海洋洋流二、名詞解釋1.大氣環(huán)流模式（AGCM）：大氣環(huán)流模式是一種數(shù)學(xué)模型，通過求解描述大氣運動和能量交換的控制方程（如流體力學(xué)方程、熱力學(xué)方程、輻射傳輸方程等），模擬大氣環(huán)流系統(tǒng)的時間演變和空間分布特征。2.氣候模態(tài)：指在氣候系統(tǒng)中存在的一些典型的、重復(fù)性的狀態(tài)或變化模式，例如厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）模態(tài)、太平洋年代際振蕩（PDO）模態(tài)等，它們代表了氣候系統(tǒng)內(nèi)部主要的年際或年代際變率特征。3.輻射強迫：指由于大氣成分（如溫室氣體、氣溶膠）或地表性質(zhì)的變化，導(dǎo)致到達地表的總輻射（包括短波和長波）與沒有該變化時相比產(chǎn)生的凈變化量，是驅(qū)動氣候系統(tǒng)變化的重要外部強迫。4.氣候預(yù)測的集合預(yù)報：氣候預(yù)測的集合預(yù)報是指通過運行多個彼此略有差異的氣候模型（這些差異可能來自不同的初始條件擾動、不同的模型參數(shù)設(shè)置或不同的模型版本），產(chǎn)生一系列（集合）預(yù)測結(jié)果，用以評估和量化預(yù)測的不確定性。5.降尺度：降尺度是指將氣候模式（通常具有較大的空間分辨率，如幾百公里）輸出的較粗分辨率氣候變量（如區(qū)域平均溫度、降水）轉(zhuǎn)換為更精細空間分辨率（如幾公里到幾十公里）或時間分辨率（如小時到天）氣候變量的技術(shù)，目的是為了獲得更接近觀測的局部氣候信息。三、簡答題1.簡述大氣環(huán)流模式中輻射過程的簡化與參數(shù)化主要涉及哪些方面？*簡化：AGCM通常采用簡化的輻射傳輸方案來計算太陽短波輻射和地球長波輻射在大氣中的吸收、散射和反射過程。例如，可能只考慮幾個主要的吸收氣體（如水汽、CO2、O3）對長波輻射的影響，或者采用平均大氣模型來簡化輻射計算。*參數(shù)化：由于輻射過程涉及復(fù)雜的分子物理過程，難以在模式中完全解析求解，需要進行參數(shù)化。主要涉及的參數(shù)化方面包括：地表反照率及其隨地表覆蓋類型（如海洋、陸地、冰雪）的變化；大氣水汽含量對紅外輻射傳輸?shù)挠绊懀ㄋ€及其垂直分布）；云層對太陽輻射和地球長波輻射的反射和吸收效應(yīng)（云量、云的類型和高度等）；氣溶膠對輻射傳輸?shù)挠绊懙取?.比較集合天氣預(yù)報與單次確定性天氣預(yù)報在應(yīng)對氣候變化預(yù)測不確定性方面的優(yōu)勢。*集合預(yù)報：集合預(yù)報通過引入不確定性（如初始條件的集合擾動、模式參數(shù)的隨機變化），能夠產(chǎn)生一組可能的未來天氣或氣候狀態(tài)。這使得氣象學(xué)家可以計算集合成員的平均值、標準差、概率分布等，從而量化預(yù)測的不確定性。對于氣候變化預(yù)測，由于時間尺度更長，初始條件的不確定性（如海溫異常）和模式本身的不確定性（如對某些物理過程的參數(shù)化）會累積并顯著影響長期預(yù)測結(jié)果，因此集合預(yù)報是評估和表達氣候變化預(yù)測不確定性的關(guān)鍵工具。*單次確定性預(yù)報：單次確定性預(yù)報提供一個單一的、確定的未來狀態(tài)，它假設(shè)所有已知信息（包括初始條件和模型）都是完美的，不包含任何內(nèi)在不確定性。這種預(yù)報無法直接提供不確定性信息，對于需要了解可能發(fā)生范圍和概率的氣候變化研究來說，信息量不足。3.解釋什么是模式參數(shù)化？為什么需要參數(shù)化？舉例說明一個重要的模式參數(shù)化方案及其物理意義。*定義：模式參數(shù)化是指使用簡化的數(shù)學(xué)公式或統(tǒng)計關(guān)系來代表模式中無法直接進行大尺度或解析求解的物理、化學(xué)或生物過程。這些參數(shù)化方案將局地過程的效果與模式中的大尺度變量（如溫度、風速、水汽含量）聯(lián)系起來。*需要性：需要參數(shù)化的主要原因是：①模式分辨率有限，無法在網(wǎng)格尺度上直接模擬所有重要的局地過程；②某些過程的物理機制非常復(fù)雜，目前缺乏足夠精確的數(shù)學(xué)描述。參數(shù)化的目的是將局地過程的平均效應(yīng)納入模式框架，使模式能夠模擬更大時空尺度的現(xiàn)象。*舉例：行星邊界層（PBL）參數(shù)化方案。物理意義：該方案用于模擬近地面大氣層（行星邊界層）中由于與地表的湍流交換而發(fā)生的動量、熱量和水汽的垂直輸送過程。由于湍流過程的復(fù)雜性和尺度小，AGCM通常無法在模式網(wǎng)格尺度上直接計算，因此需要PBL參數(shù)化方案。例如，Monin-Obukhov相似律就是一種常用的PBL湍流交換理論的參數(shù)化表達式，它描述了風速、溫度梯度等大尺度變量與地表通量（如感熱、潛熱）之間的關(guān)系，從而估算地表與大氣之間的能量和水分交換。4.描述全球變暖對極端天氣事件可能產(chǎn)生的影響，并列舉至少兩種可能的變化趨勢。*影響：全球變暖導(dǎo)致全球平均溫度升高，改變了大氣環(huán)流模式，增加了大氣持有水汽的能力，這都可能顯著影響極端天氣事件的頻率、強度和持續(xù)時間。*變化趨勢舉例：1.熱浪：全球平均溫度升高使得極端高溫事件的閾值升高，熱浪事件的頻率增加、持續(xù)時間變長、強度增大。2.降水極端事件：大氣持有更多水汽可能導(dǎo)致降水事件（如暴雨、大暴雨）的強度增加，頻率也可能發(fā)生變化（某些地區(qū)增加，某些地區(qū)減少）。同時，極端降水可能伴隨更強的洪水風險。5.簡述溫室效應(yīng)的物理原理。*溫室效應(yīng)是指地球大氣層中的某些氣體（溫室氣體，如水汽H2O、二氧化碳CO2、甲烷CH4、氧化亞氮N2O等）能夠吸收地球表面發(fā)出的長波輻射（紅外輻射），并將其部分向外太空輻射，部分向下地表重新輻射，從而導(dǎo)致地球表面溫度升高的現(xiàn)象。*過程：太陽短波輻射穿透大氣到達地表，地表吸收后以長波輻射（紅外輻射）的形式向大氣釋放熱量。大氣中的溫室氣體選擇性地吸收特定波長的紅外輻射，使大氣溫度升高。這些被吸收的能量隨后通過向大氣各層和向太空的輻射重新分布。溫室氣體本身對太陽短波輻射基本不吸收。由于這種“保溫”作用，地球表面的溫度遠高于沒有大氣層時的溫度，使得地球成為一個適宜生命生存的星球。人類活動排放的溫室氣體增加，強化了溫室效應(yīng)，導(dǎo)致了全球變暖。四、論述題1.論述大氣環(huán)流模式在模擬氣候變化方面所面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。*主要挑戰(zhàn)：1.分辨率問題：AGCM的網(wǎng)格分辨率有限，無法直接模擬關(guān)鍵的氣候現(xiàn)象（如云的微物理過程、對流組織的精細結(jié)構(gòu)、海冰的動態(tài)變化、土壤水分的垂直變化等）及其與大尺度環(huán)流的相互作用，導(dǎo)致模擬結(jié)果與觀測存在偏差。2.參數(shù)化方案的局限性與不確定性：模式參數(shù)化是簡化局地過程的必要手段，但現(xiàn)有參數(shù)化方案往往基于不完整的理論理解，包含許多經(jīng)驗性假設(shè)，難以精確代表復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，導(dǎo)致模式對局地過程和氣候系統(tǒng)整體響應(yīng)的模擬存在系統(tǒng)性偏差。3.模式物理過程與耦合的復(fù)雜性：氣候系統(tǒng)是多圈層耦合系統(tǒng)，AGCM（乃至GCM）需要耦合海洋、陸面、冰雪圈等多個子模型，而各圈層之間的相互作用復(fù)雜，模型對耦合過程和反饋機制的模擬能力仍有不足。4.計算資源需求巨大：高分辨率、長時效的氣候模擬需要巨大的計算資源和時間成本。5.模式間差異與集合預(yù)報的不確定性：不同的AGCM或GCM在框架、參數(shù)化方案等方面存在差異，導(dǎo)致模擬結(jié)果（模式間差異）顯著，增加了集合預(yù)報評估氣候變化的不確定性。*可能的解決方案：1.提高分辨率：發(fā)展和使用更高分辨率的AGCM，尤其是在關(guān)鍵區(qū)域（如對流層頂、邊界層、海冰區(qū)域）進行加密。同時發(fā)展區(qū)域氣候模型（RCM）進行降尺度模擬。2.改進參數(shù)化方案：加強對關(guān)鍵局地物理過程（如云、對流、輻射、邊界層湍流）的觀測和理論研究，改進現(xiàn)有參數(shù)化方案，或發(fā)展新的、基于更物理基礎(chǔ)的參數(shù)化方案。利用大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習等方法輔助參數(shù)化方案的開發(fā)和優(yōu)化。3.發(fā)展更優(yōu)化的耦合框架：改進多圈層耦合模型的設(shè)計，更準確地描述各圈層之間的能量、水分和物質(zhì)交換過程。4.利用高性能計算和新型計算方法：發(fā)展適合氣候模擬的高效算法，利用高性能計算集群、云計算甚至量子計算等新型計算資源。5.加強多模式集合預(yù)報：運行更多不同類型或不同版本的模型構(gòu)成的集合，以更全面地評估氣候變化預(yù)測的不確定性。開展模型對比研究，理解模式差異的來源。2.結(jié)合實例，論述氣候變化預(yù)測結(jié)果的不確定性來源及其對應(yīng)用決策可能產(chǎn)生的影響。如何減少這些不確定性？*不確定性來源：1.模式不確定性：如前所述，不同氣候模型在物理過程描述、參數(shù)化方案、模型框架等方面存在差異，導(dǎo)致對相同強迫（如CO2濃度變化）的氣候響應(yīng)（如溫度變化幅度、極端事件頻率變化）存在差異。2.初始條件不確定性：氣候系統(tǒng)具有混沌特性，初始狀態(tài)（如海表溫度、海冰覆蓋）的微小差異可能導(dǎo)致未來氣候路徑產(chǎn)生巨大的、不可預(yù)測的分支，即“蝴蝶效應(yīng)”，尤其在長期預(yù)測（數(shù)十年以上）中。3.強迫因素不確定性：人類活動排放的溫室氣體、氣溶膠等物質(zhì)的量及其時空分布難以精確預(yù)測，未來排放情景（如IPCC的RCPs/SSPs）本身也包含一定的不確定性。4.自然變率不確定性：氣候系統(tǒng)內(nèi)部存在年際（如ENSO）、年代際（如PDO）等自然變率，其未來的強度、頻率和位相難以精確預(yù)測，會疊加在長期氣候變化趨勢之上。*對應(yīng)用決策的影響：*風險評估困難：不確定性使得精確評估未來氣候變化對特定區(qū)域（如沿海城市、農(nóng)業(yè)區(qū)）帶來的風險（如海平面上升淹沒風險、干旱或洪水頻率變化）變得困難，影響適應(yīng)規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施投資決策。*政策制定挑戰(zhàn)：應(yīng)對氣候變化的政策（如減排目標設(shè)定、適應(yīng)措施選擇）需要基于對未來氣候變化的預(yù)測。不確定性意味著政策制定者需要在信息不完全的情況下做出權(quán)衡，過早或過度的行動可能導(dǎo)致資源浪費，而行動不足則可能面臨更大的未來風險。*經(jīng)濟影響：氣候變化相關(guān)的經(jīng)濟活動（如農(nóng)業(yè)、能源、保險業(yè)）需要基于對未來氣候條件的預(yù)期來調(diào)整。不確定性增加了經(jīng)濟規(guī)劃和投資的復(fù)雜性與風險。*減少不確定性的途徑：1.發(fā)展更精確的模式：持續(xù)投入研發(fā)，改進模式框架和參數(shù)化方案，減少模式本身的系統(tǒng)性偏差。加強多模式對比研究，理解并量化不同模式來源的不確定性。2.改善觀測系統(tǒng)：部署更密集、更精確的全球觀測網(wǎng)絡(luò)（包括地面、衛(wèi)星、海洋、冰架觀測等），以提供更準確的氣候狀態(tài)初始條件和邊界條件信息，有助于約束模式模擬。3.改進排放情景預(yù)測：加強對未來社會經(jīng)濟發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型路徑的研究，提高排放情景預(yù)測的可靠性。4.發(fā)展集合預(yù)報系統(tǒng)：通過運行多組不同的初始條件（集合初始擾動）和多套不同的模型（集合模型擾動），生成集合預(yù)報產(chǎn)品，以更全面地刻畫未來狀態(tài)的概率分布，從而量化不確定性。5.基于概率的決策方法：在應(yīng)用決策中，采用基于概率的決策框架，如成本效益分析、風險矩陣等，考慮不同氣候情景的可能性及其概率，而不是依賴單一的確定性預(yù)測結(jié)果。3.選擇一個你感興趣的氣候研究領(lǐng)域（如云氣候?qū)W、海氣相互作用、極端事件預(yù)測等），論述該領(lǐng)域當前的研究熱點、主要利用的觀測資料和模式工具，以及面臨的科學(xué)問題。*研究領(lǐng)域選擇：極端事件預(yù)測*當前研究熱點：1.全球變暖背景下極端事件的變化歸因：利用集合氣候模擬（如CMIP系列數(shù)據(jù)）和統(tǒng)計方法，量化評估觀測到的極端事件（如熱浪、強降水、干旱、強風速）的變化在多大程度上是由人類活動造成的全球變暖驅(qū)動的。2.極端事件模擬與預(yù)測能力評估：改進大氣環(huán)流模式（AGCM）和區(qū)域氣候模型（RCM）對極端事件（特別是其強度、空間分布和發(fā)生頻率）的模擬能力，并評估模式預(yù)測極端事件的不確定性。3.極端事件的可預(yù)報性研究：利用集合預(yù)報系統(tǒng)，研究極端事件（特別是短期到季節(jié)時間尺度的）的可預(yù)報性極限，以及影響其可預(yù)報性的關(guān)鍵因素（如初始條件、大氣環(huán)流模式分辨率、海氣相互作用等）。4.極端事件預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展：結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和統(tǒng)計降尺度方法，發(fā)展更有效的極端事件（特別是強降水、干旱）的早期預(yù)警系統(tǒng)。*主要利用的觀測資料：*氣象觀測：全球氣象站網(wǎng)絡(luò)（溫度、氣壓、風速、降水等）、探空數(shù)據(jù)（PBL高度、大氣濕度、溫度廓線）、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（云量、云類型、地表溫度、降水估算、海表溫度、海冰等）。*再分析數(shù)據(jù)：如MERRA-2、ECMWF-ERA5等，整合了多種觀測數(shù)據(jù)，提供高