2025年大學(xué)《應(yīng)用氣象學(xué)》專業(yè)題庫——大氣環(huán)境模擬及預(yù)測研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在大氣環(huán)境模型中，用于描述大氣垂直混合特征的參數(shù)通常是？A.湍流交換系數(shù)B.輻射傳輸系數(shù)C.碳水化合物轉(zhuǎn)化速率D.大氣穩(wěn)定度等級2.下列哪種氣象要素場變量通常用于描述大氣邊界層的垂直結(jié)構(gòu)？A.氣壓B.溫度露點廓線C.水汽壓D.風(fēng)向3.數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）模式初值分析中，對模式預(yù)報精度影響最大的誤差通常來自于？A.模式物理過程參數(shù)化誤差B.模式網(wǎng)格分辨率限制C.地面觀測資料的時空分辨率和準(zhǔn)確性D.計算平臺硬件性能4.在進(jìn)行空氣質(zhì)量數(shù)值模擬時，選擇模擬域和網(wǎng)格分辨率的主要考慮因素不包括？A.污染物擴(kuò)散范圍B.氣象場空間尺度C.模型計算成本D.地形地貌的復(fù)雜程度5.下列哪種統(tǒng)計方法常用于短期天氣預(yù)報中的客觀訂正？A.回歸分析B.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)C.馬爾科夫鏈D.主成分分析6.大氣輻射傳輸模型中，計算地面接收到的太陽總輻射需要考慮的主要因素有？A.大氣水汽含量、臭氧含量、氣溶膠濃度B.地面反照率、坡度、坡向C.太陽高度角、觀測時間D.以上所有因素7.評估一個空氣質(zhì)量預(yù)報模型性能的常用指標(biāo)是？A.預(yù)報提前期B.平均絕對誤差（MAE）C.預(yù)報員信心指數(shù)D.模式分辨率8.區(qū)域氣候模型（RCM）相比于全球氣候模型（GCM），其主要優(yōu)勢在于？A.模擬范圍更廣B.對區(qū)域細(xì)節(jié)的模擬能力更強(qiáng)C.模擬時間尺度更長D.對氣候變化長期趨勢的預(yù)測能力更強(qiáng)9.污染物擴(kuò)散模型中，箱模型（箱式模型）的主要假設(shè)是？A.下墊面均勻B.污染物在控制體積內(nèi)混合均勻C.邊界條件固定不變D.只考慮長距離輸送10.影響大氣邊界層高度的主要因素有？A.大氣穩(wěn)定度、地面熱量通量、風(fēng)速B.大氣濕度、氣壓、溫度垂直遞減率C.水汽輸送方向、地形抬升、城市熱島效應(yīng)D.污染物排放強(qiáng)度、擴(kuò)散能力、氣象條件二、填空題（每空1分，共15分）1.大氣環(huán)境模擬通常需要考慮的主要物理過程包括______、______和______。2.數(shù)值天氣預(yù)報模式的時間步長選擇主要受______約束。3.評估模擬結(jié)果可靠性的常用統(tǒng)計方法有______、______和______。4.絕對濕度是指單位體積空氣中實際含有水汽的質(zhì)量，其單位通常是______。5.空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）是用于報告______和______等主要污染物濃度的綜合性指標(biāo)。6.光化學(xué)煙霧的形成需要同時具備陽光、氮氧化物和______等主要污染物。7.大氣邊界層的高度通常在白天和夜晚會有顯著差異，這主要受______的影響。8.氣候模型輸出結(jié)果的不確定性來源主要包括模型本身的不確定性、______和______。9.使用遙感技術(shù)可以獲取大范圍的大氣______和______等信息。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述大氣輻射傳輸過程中主要的吸收和散射過程及其對地表能量平衡的影響。2.比較物理統(tǒng)計預(yù)報方法與數(shù)值預(yù)報方法在短期天氣預(yù)報中的基本思路和優(yōu)缺點。3.簡述大氣邊界層的主要特征及其對近地面大氣環(huán)境（如污染物擴(kuò)散）的影響。4.解釋什么是模型驗證？列舉至少三種常用的模型驗證指標(biāo)。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)某城市在特定時間段內(nèi)，地面觀測到臭氧濃度為60ppb（百萬分之一體積比），模式預(yù)報的臭氧濃度為50ppb。如果預(yù)報提前期為24小時，請計算該預(yù)報員在該時間段的平均絕對誤差（MAE）和預(yù)報偏差。2.已知某地區(qū)大氣穩(wěn)定度等級為C級，風(fēng)速為3m/s，請簡述在這種情況下，污染物垂直和水平方向的擴(kuò)散條件大致如何？并說明影響擴(kuò)散效果的主要因素。五、論述題（每題15分，共30分）1.論述數(shù)值天氣預(yù)報模式中物理過程參數(shù)化的重要性及其對模式模擬結(jié)果可能產(chǎn)生的影響。2.結(jié)合實例，論述大氣環(huán)境模擬與預(yù)測研究在環(huán)境保護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用價值。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.C4.D5.A6.D7.B8.B9.B10.A二、填空題1.輻射過程、動力過程、化學(xué)過程2.普朗克公式（或物理法則）3.均方根誤差（RMSE）、決定系數(shù)（R2）、平均絕對偏差（MAD）4.克/米3（或g/m3）5.二氧化硫、可吸入顆粒物（或PM10、PM2.5）6.一氧化碳7.地面熱量通量（或日照強(qiáng)度）8.觀測數(shù)據(jù)的不確定性、模型參數(shù)的不確定性9.溫度、濕度（或氣象要素）三、簡答題1.解析思路：首要任務(wù)是列出主要的吸收和散射過程（如太陽輻射的吸收和散射，以及大氣分子的吸收和散射）。其次，要說明這些過程如何改變輻射能的傳輸路徑和強(qiáng)度，最終如何影響到達(dá)地表的太陽輻射（短波）和地表向外發(fā)射的長波輻射（熱量散失）。例如，水汽和二氧化碳吸收紅外線，臭氧吸收紫外線，氣溶膠散射各波段的輻射，這些都會改變能量平衡。答案要點：主要吸收過程包括臭氧對紫外線的吸收、水汽和二氧化碳對紅外線的吸收；主要散射過程包括大氣分子和氣溶膠對太陽輻射的散射。這些過程減少了到達(dá)地面的太陽短波輻射，并影響大氣逆輻射（長波輻射），從而顯著影響地表能量平衡。2.解析思路：物理統(tǒng)計預(yù)報是基于已知氣象要素的物理關(guān)系建立統(tǒng)計模型。數(shù)值預(yù)報是直接求解大氣控制方程。比較時需說明兩者的基礎(chǔ)方法不同，然后分別闡述其思路（物理統(tǒng)計是找關(guān)聯(lián)，數(shù)值預(yù)報是求解方程），最后對比優(yōu)缺點（物理統(tǒng)計方法簡單但物理依據(jù)可能不足，尤其對復(fù)雜系統(tǒng)；數(shù)值預(yù)報物理基礎(chǔ)好，能模擬復(fù)雜過程，但模型復(fù)雜、需要計算資源、精度受模式影響）。答案要點：物理統(tǒng)計預(yù)報利用歷史同期或不同時次的氣象要素間的統(tǒng)計關(guān)系進(jìn)行預(yù)報；數(shù)值預(yù)報通過求解描述大氣運(yùn)動的數(shù)值模式方程得到預(yù)報結(jié)果。物理統(tǒng)計方法相對簡單，但物理機(jī)制體現(xiàn)不足；數(shù)值預(yù)報物理基礎(chǔ)較好，能模擬復(fù)雜過程，但模式復(fù)雜、計算量大、對初始條件和參數(shù)化方案敏感。3.解析思路：首先描述大氣邊界層的定義（緊鄰地表、受地表影響顯著的一層大氣）和高度變化特征（白天通常較高，夜晚較低）。然后分析其主要特征（湍流混合強(qiáng)、風(fēng)速切變大等）。最后重點說明這些特征如何影響污染物擴(kuò)散：混合強(qiáng)則垂直方向擴(kuò)散快，風(fēng)速大則水平方向擴(kuò)散快，邊界層高度高則有效擴(kuò)散高度也高。答案要點：大氣邊界層是緊鄰地表、受地表物理過程（如熱通量、摩擦）強(qiáng)烈影響的大氣層，其高度白天隨太陽加熱增強(qiáng)而抬高，夜間因冷卻而降低。其主要特征是湍流活動強(qiáng)，風(fēng)速隨高度增加而減小。這些特征決定了污染物在此層內(nèi)主要通過湍流擴(kuò)散，混合強(qiáng)度和邊界層高度直接影響污染物的稀釋和擴(kuò)散范圍。4.解析思路：定義模型驗證為將模型輸出結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評估模型模擬性能的過程。列舉驗證方法時，要給出指標(biāo)的計算公式或定義，并說明其含義（如RMSE反映整體誤差大小，R2反映模型對變化的解釋能力，Bias反映系統(tǒng)誤差）。選擇三種即可。答案要點：模型驗證是通過比較數(shù)值模擬結(jié)果與同步觀測到的實際大氣狀態(tài)，以評價模型模擬能力的過程。常用指標(biāo)包括：均方根誤差（RMSE）=sqrt[Σ(模擬值-觀測值)2/N]，反映模擬值與觀測值的平均偏離程度；決定系數(shù)（R2）=1-Σ(模擬值-觀測值)2/Σ(觀測值-平均值)2，反映模型對觀測數(shù)據(jù)變異性的解釋比例；平均絕對偏差（MAD）=Σ|模擬值-觀測值|/N，反映模擬值與觀測值的平均絕對誤差。四、計算題1.解析思路：MAE計算直接套用公式。預(yù)報偏差（Bias）是預(yù)報平均值與觀測平均值之差，這里可以簡化為單點預(yù)報值與觀測值之差，或者理解為平均絕對偏差的一半（如果認(rèn)為預(yù)報和觀測中心趨勢一致）。需要明確題目要求計算的是哪個指標(biāo)，并給出計算過程和結(jié)果。答案要點：MAE=(|60-50|)ppb=10ppb。預(yù)報偏差=50ppb-60ppb=-10ppb（或MAE/2=10ppb/2=5ppb，取決于對“偏差”的理解，通常指MAE的一半更符合統(tǒng)計定義，但題目只讓計算MAE和偏差，MAE已給出，偏差按字面意思計算）。2.解析思路：根據(jù)穩(wěn)定度等級（C級）和風(fēng)速（3m/s）查找典型的大氣擴(kuò)散圖或相關(guān)文獻(xiàn)，描述該條件下大氣的垂直混合能力和水平輸送能力是強(qiáng)是弱。分析時需結(jié)合邊界層理論，說明穩(wěn)定度（C級通常表示中等穩(wěn)定）和風(fēng)速對湍流發(fā)展的抑制作用和促進(jìn)作用。影響擴(kuò)散效果的因素應(yīng)從氣象（風(fēng)、穩(wěn)定度、濕度）、地理（地形、下墊面）和污染源（排放高度、強(qiáng)度、方式）等方面考慮。答案要點：C級穩(wěn)定度表示中等穩(wěn)定，風(fēng)速為3m/s。參考大氣擴(kuò)散圖可知，該條件下污染物垂直擴(kuò)散能力中等，水平擴(kuò)散能力較好。中等穩(wěn)定度意味著大氣邊界層有一定發(fā)展，湍流混合能力尚可，但風(fēng)速不算很大，可能抑制近地面的強(qiáng)湍流發(fā)展。影響擴(kuò)散效果的主要因素包括：氣象條件（風(fēng)速、風(fēng)向、穩(wěn)定度、濕度）、地理環(huán)境（地形起伏、下墊面性質(zhì)）以及污染源特征（排放高度、強(qiáng)度、排放方式）。五、論述題1.解析思路：論述物理過程參數(shù)化的重要性，需要強(qiáng)調(diào)它是連接宏觀控制方程與微觀物理過程橋梁的作用，決定了模式能否準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的地球大氣系統(tǒng)?？梢詮妮椛洹恿W(xué)、邊界層、云霧降水、化學(xué)過程等方面分別闡述參數(shù)化方案的不合理或缺陷可能導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差或錯誤。論述其對結(jié)果的影響時，要具體說明可能出現(xiàn)的錯誤類型（如輻射計算錯誤導(dǎo)致溫度偏差，邊界層參數(shù)化錯誤導(dǎo)致邊界層高度和污染物擴(kuò)散錯誤，化學(xué)參數(shù)化錯誤導(dǎo)致成分預(yù)報錯誤等）。答案要點：物理過程參數(shù)化是將描述大氣微觀物理過程（如輻射傳輸、云滴生成、化學(xué)反應(yīng)、湍流混合等）的復(fù)雜方程簡化為模式可以處理的參數(shù)化方案的過程，是數(shù)值天氣預(yù)報模式不可或缺的組成部分。它直接影響模式對大氣現(xiàn)象的模擬能力。如果參數(shù)化方案不能準(zhǔn)確反映真實的物理過程，將導(dǎo)致模式輸出結(jié)果產(chǎn)生偏差。例如，不準(zhǔn)確的輻射參數(shù)化會錯誤計算地表能量平衡和氣溫；不合理的邊界層參數(shù)化會錯誤模擬近地面的風(fēng)速、溫度廓線及污染物擴(kuò)散條件；不恰當(dāng)?shù)脑莆锢砘蚧瘜W(xué)參數(shù)化會錯誤預(yù)報云量、降水和大氣成分。因此，物理過程參數(shù)化方案的選擇、改進(jìn)和驗證對數(shù)值天氣預(yù)報的精度和可靠性至關(guān)重要。2.解析思路：論述應(yīng)用價值需結(jié)合具體實例或場景?？梢詮沫h(huán)境保護(hù)角度，如空氣質(zhì)量預(yù)報用于發(fā)布預(yù)警、制定應(yīng)急措施（如重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)）、規(guī)劃城市布局（如工業(yè)選址）、評估污染源影響等。從防災(zāi)減災(zāi)角度，如雷電、強(qiáng)風(fēng)、暴雨、干旱等災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)警，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供依據(jù)，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失；氣候變化預(yù)測評估用于制定適應(yīng)氣候變化的國家戰(zhàn)略和區(qū)域規(guī)劃（如水資源管理、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、基礎(chǔ)設(shè)施加固等）。論述時需體現(xiàn)模擬預(yù)測在提供決策支持、預(yù)警、評估、規(guī)劃等方面的作用。答案要點：大氣環(huán)境模擬與預(yù)測研究在環(huán)境保護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)中具有重要應(yīng)用價值。在環(huán)境保護(hù)方面，空氣質(zhì)量模擬預(yù)測可用于預(yù)報重污染