2025年大學《大氣科學》專業(yè)題庫——大氣科學中的地毯躍遷光譜技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋1.地毯躍遷光譜技術2.非均勻大氣3.光譜廓線4.分子振動-轉動能級5.差分吸收激光雷達(DIAL)二、簡答題1.簡述地毯躍遷光譜技術的基本原理。2.與典型的線型光譜躍遷相比，地毯躍遷光譜技術有何主要特點？3.簡要說明地毯躍遷光譜技術在探測大氣組分濃度方面相較于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。4.描述地毯躍遷光譜技術在大氣垂直廓線探測中的應用。5.簡述大氣非均勻性如何影響地毯躍遷光譜信號的特性。三、論述題1.深入討論地毯躍遷光譜技術在現(xiàn)代大氣科學研究中的至少三個具體應用領域，并說明其重要性。2.分析利用地毯躍遷光譜技術反演大氣參數(shù)時可能面臨的主要挑戰(zhàn)及其應對策略。3.從大氣遙感的角度，論述發(fā)展地毯躍遷光譜技術的必要性和科學意義。4.探討地毯躍遷光譜技術的未來發(fā)展趨勢及其可能帶來的突破。試卷答案一、名詞解釋1.地毯躍遷光譜技術：指利用大氣中分子振動-轉動能級密集區(qū)域（即“地毯”區(qū)域）的吸收特征進行大氣成分探測的光譜技術。由于該區(qū)域包含大量靠得很近的躍遷，且對大氣溫度、壓力的非均勻性高度敏感，因此得名。**解析思路：*定義需包含核心技術（利用密集吸收特征）、關鍵區(qū)域（地毯區(qū)域/振動-轉動能級密集區(qū)）以及核心特點（對非均勻大氣敏感）。2.非均勻大氣：指大氣柱內溫度、壓力或其他狀態(tài)參數(shù)存在顯著的空間或垂直梯度，偏離理想均質大氣模型的情況。這是地毯躍遷光譜技術得以區(qū)分不同大氣特征的關鍵背景條件。**解析思路：*定義需明確指出大氣性質（溫度、壓力等）存在梯度或非均勻性，并點出其與地毯躍遷技術的關系（關鍵背景）。3.光譜廓線：指大氣某條路徑上，大氣成分濃度（或其他光學參數(shù)，如吸收系數(shù)）隨高度（或距離）變化的分布曲線。**解析思路：*定義需包含核心要素（濃度/光學參數(shù)）、變化維度（隨高度/距離）以及表現(xiàn)形式（分布曲線）。4.分子振動-轉動能級：指分子在振動模式下，其振動量子數(shù)和轉動量子數(shù)所決定的能量狀態(tài)。這些能級構成了分子的光譜基礎，決定了分子吸收或發(fā)射電磁波的具體波長。**解析思路：*定義需包含主體（分子）、狀態(tài)性質（振動、轉動）、數(shù)量概念（量子數(shù)）、能量關聯(lián)（能量狀態(tài)）以及光譜意義。5.差分吸收激光雷達(DIAL)：一種利用特定波長激光對大氣中某個目標組分進行探測的遙感技術。它通過發(fā)射一束包含待測組分強吸收線和弱吸收線（或鄰近非吸收線）的激光，并測量兩束光在傳播路徑上因選擇性吸收而產生的信號強度差異，從而反演目標組分的濃度或廓線。**解析思路：*定義需包含技術類型（激光雷達）、核心原理（利用吸收線差異）、系統(tǒng)設置（兩束激光，不同吸收線）、測量內容（信號強度差）以及最終目的（反演濃度/廓線）。二、簡答題1.簡述地毯躍遷光譜技術的基本原理。**解析思路：*核心在于解釋為何密集躍遷對非均勻大氣敏感。密集躍遷導致相鄰譜線非常接近，使得大氣非均勻性（如溫度、壓力突變）引起的折射率變化，會顯著改變電磁波在該路徑上的傳播相位或幅度。通過測量這種由非均勻性調制的光譜信號，可以反演大氣信息。2.與典型的線型光譜躍遷相比，地毯躍遷光譜技術有何主要特點？**解析思路：*對比是關鍵。特點應包括：譜線極其密集；對大氣非均勻性（溫度、壓力梯度）高度敏感；通常需要更復雜的數(shù)據(jù)處理技術來解析非均勻性影響；可能探測到更豐富的分子信息；探測路徑上的非均勻性會引入系統(tǒng)誤差或需要特殊校正。3.簡要說明地毯躍遷光譜技術在探測大氣組分濃度方面相較于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。**解析思路：*優(yōu)勢需具體化。例如：可能探測到傳統(tǒng)方法忽略的“窗口”區(qū)域之外的吸收信號；能夠利用非均勻性信息作為探針反演組分廓線；對某些痕量氣體或特定高度層的探測可能更具優(yōu)勢；某些情況下可能具有更高的時間或空間分辨率潛力。4.描述地毯躍遷光譜技術在大氣垂直廓線探測中的應用。**解析思路：*結合原理和應用場景。利用密集躍遷對路徑積分效應的敏感性，通過掃描或傅里葉變換等方法獲取高分辨率光譜。結合大氣傳輸模型，考慮非均勻性影響，反演大氣組分（如CO2、CH4等）從近地面到高空不同高度層的濃度分布。5.簡述大氣非均勻性如何影響地毯躍遷光譜信號的特性。**解析思路：*闡述影響機制。非均勻性導致大氣折射率隨路徑變化，使得電磁波傳播速度和路徑發(fā)生改變，進而調制了通過該路徑的總光譜信號（如相位、幅度、光譜形狀）。這種調制信息包含了非均勻性本身以及被探測組分的信息。三、論述題1.深入討論地毯躍遷光譜技術在現(xiàn)代大氣科學研究中的至少三個具體應用領域，并說明其重要性。**解析思路：*選擇3個有代表性的領域進行深入闡述。例如：*大氣化學：探測對流層和平流層關鍵溫室氣體（CO2,CH4,N2O等）及其同位素比值的高分辨率廓線，用于研究碳/氮循環(huán)、排放源匯、化學轉化過程。重要性在于提供更精細的時空信息，改進模型。*氣候變化研究：監(jiān)測長期大氣成分變化趨勢，特別是CO2的垂直分布變化，為評估氣候變化影響提供數(shù)據(jù)支撐。重要性在于提供高精度、高分辨率的歷史觀測數(shù)據(jù)。*空氣質量監(jiān)測與污染溯源：探測近地面污染物（如SO2,O3,NO2等）的垂直分布和擴散特征，識別污染羽的形成與演變機制。重要性在于提供三維視圖，支持污染預警和防控決策。**(其他可選領域：如大氣物理過程研究、行星大氣探測等)*對每個應用，需清晰說明技術如何實現(xiàn)，以及其相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢和對科學問題的貢獻。2.分析利用地毯躍遷光譜技術反演大氣參數(shù)時可能面臨的主要挑戰(zhàn)及其應對策略。**解析思路：*全面分析挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)包括：①大氣非均勻性的精確建模與修正；②密集譜線的精確解析與線強/線型數(shù)據(jù)庫要求高；③光譜信號中包含的復雜信息解耦（如組分與非均勻性的混合）；④儀器噪聲與系統(tǒng)誤差的影響；⑤數(shù)據(jù)處理算法的復雜性與計算量。針對這些挑戰(zhàn)，提出相應策略：①發(fā)展先進大氣傳輸模型，結合先驗信息進行非均勻性訂正；②建立高精度、高完整性的線參數(shù)數(shù)據(jù)庫；③采用先進的信號處理和反演算法（如傅里葉變換、多路徑分析）；④提高儀器精度和穩(wěn)定性，進行嚴格定標；⑤發(fā)展高效的并行計算或優(yōu)化算法。3.從大氣遙感的角度，論述發(fā)展地毯躍遷光譜技術的必要性和科學意義。**解析思路：*闡述必要性（為何要發(fā)展）和科學意義（發(fā)展了有何價值）。必要性可從現(xiàn)有技術的局限性出發(fā)，如傳統(tǒng)線型光譜技術難以精細刻畫非均勻大氣信息，或對某些組分探測能力有限。發(fā)展地毯躍遷光譜技術可以提供：①全新的探測維度（利用非均勻性信息）；②更高的時空分辨率；③探測傳統(tǒng)方法難以獲取的信息。科學意義在于：①深化對大氣復雜物理過程（混合層、邊界層、平流輸送等）的理解；②顯著提升大氣成分監(jiān)測的精度和時空覆蓋能力；③為氣候變化、環(huán)境污染等重大科學問題提供更強大的觀測手段；④推動大氣遙感技術的發(fā)展邊界。4.探討地毯躍遷光譜技術的未來發(fā)展趨勢及其可能帶來的突破。**解析思路：*展望未來。趨勢可能包括：①更高性能的探測器和激光器的發(fā)展，提升信噪比和光譜分辨率；②多平臺（衛(wèi)星、高空平臺、無人機、地面站）觀測網(wǎng)絡的構建，實現(xiàn)全球/區(qū)域覆蓋；③人工智能與機器學習在數(shù)據(jù)處理