2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——大氣中氣候變化的模擬與預(yù)測考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種自然強(qiáng)迫因素在地質(zhì)歷史時期對地球氣候產(chǎn)生了顯著影響，并在不同時間尺度上引起氣候波動？A.太陽活動變化B.地球軌道參數(shù)變化（米蘭科維奇旋回）C.大氣中二氧化碳濃度D.火山噴發(fā)E.以上都是2.氣候系統(tǒng)模式中，用于參數(shù)化描述大尺度物理過程在局部小尺度上作用規(guī)則的集合被稱為？A.模式邊界條件B.模式初始條件C.參數(shù)化方案D.模式校準(zhǔn)參數(shù)E.模式分辨率3.在氣候歸因研究中，通過對比“控制實驗”（不考慮人類活動強(qiáng)迫）和“歷史實驗”（考慮人類活動強(qiáng)迫）的模擬結(jié)果，以確定觀測到的氣候變化中人類活動的影響，這種方法主要基于什么原理？A.隨機(jī)擾動消除B.內(nèi)部氣候變率抵消C.外部強(qiáng)迫的唯一性D.模式精度提升E.觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性4.全球變暖背景下，海洋熱含量增加的主要原因是？A.海洋蒸發(fā)加劇B.海洋吸收了大部分額外輻射能量C.海洋環(huán)流減弱D.海平面上升壓迫海水E.水體膨脹系數(shù)減小5.季節(jié)到年際氣候預(yù)測區(qū)別于長期氣候模擬的主要特點(diǎn)在于？A.考慮了太陽活動的變化B.依賴于高分辨率模式C.關(guān)注氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的預(yù)測D.預(yù)測時間尺度較短（通常為幾個月到幾年）E.忽略了人類活動的影響6.以下哪項不是集合預(yù)報系統(tǒng)（EPS）旨在減少預(yù)測不確定性的主要方法？A.使用不同的初始條件B.使用不同的模式參數(shù)化方案C.使用不同的模式分辨率D.使用不同的外部強(qiáng)迫數(shù)據(jù)E.采用單一模式運(yùn)行多次7.氣候變化情景（如RCPs）主要描述了未來可能發(fā)生的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源使用情況，并據(jù)此推算未來的哪種氣體和氣溶膠排放？A.大氣環(huán)流模式參數(shù)B.海洋邊界條件C.地球軌道參數(shù)D.大氣成分排放E.模式計算誤差8.氣候變率與氣候變化的區(qū)別在于？A.氣候變率關(guān)注的是短期波動，氣候變化關(guān)注的是長期趨勢B.氣候變率只發(fā)生在海洋，氣候變化只發(fā)生在陸地C.氣候變率由人類活動引起，氣候變化由自然因素引起D.氣候變率是正常的，氣候變化是異常的E.氣候變率不可預(yù)測，氣候變化可以精確計算9.降尺度預(yù)測的主要目的是什么？A.將全球尺度的氣候模式輸出轉(zhuǎn)化為區(qū)域或局地尺度信息B.提高全球氣候模式的計算效率C.減少氣候模式的不確定性D.將區(qū)域氣候模式輸出轉(zhuǎn)化為全球尺度信息E.統(tǒng)一不同氣候模式的輸出格式10.地球系統(tǒng)模式（ESM）相較于傳統(tǒng)的全球氣候模型（GCM）的主要區(qū)別在于？A.計算速度更快B.包含了生物地球化學(xué)循環(huán)和冰雪圈過程C.模式分辨率更高D.僅關(guān)注大氣圈過程E.使用更簡單的物理參數(shù)化方案二、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述溫室效應(yīng)的物理機(jī)制，并列舉三種主要的溫室氣體。2.全球氣候模式（GCM）通常包含哪些主要的相互作用模塊？請簡要說明每個模塊的功能。3.什么是氣候模式的“可分辨率尺度”問題？它對模式模擬結(jié)果有何影響？4.解釋什么是“氣候傾向性”（ClimateTrend）和“內(nèi)部變率”（InternalVariability）。5.集合預(yù)報中常用的“集合展開”（EnsembleSpreading）和“集合發(fā)展”（EnsembleEvolution）分別指什么？它們?nèi)绾斡兄谠u估預(yù)測不確定性？6.在進(jìn)行氣候歸因研究時，除了人類活動強(qiáng)迫，還有哪些主要的自然強(qiáng)迫因素需要考慮？三、論述題（每題10分，共40分）1.論述大氣環(huán)流模式（AGCM）與海氣耦合模式（OGCM/CGCM）在結(jié)構(gòu)和模擬能力上的主要區(qū)別，并說明為何海氣耦合模式更適合進(jìn)行長期氣候變化研究。2.詳細(xì)闡述氣候預(yù)測中的主要不確定性來源，并討論這些不確定性如何影響我們對未來氣候變化的預(yù)估。3.以一個具體的氣候現(xiàn)象或事件（如厄爾尼諾-南方濤動現(xiàn)象或極端熱浪事件）為例，說明氣候模擬和預(yù)測在其理解和預(yù)報中的應(yīng)用。4.探討氣候模型在預(yù)測氣候變化對特定區(qū)域（如水資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)）影響方面所面臨的挑戰(zhàn)，并提出可能的改進(jìn)方向或應(yīng)用策略。試卷答案一、選擇題1.E2.C3.C4.B5.D6.E7.D8.A9.A10.B二、簡答題1.簡述溫室效應(yīng)的物理機(jī)制，并列舉三種主要的溫室氣體。答：溫室效應(yīng)是指大氣中的溫室氣體吸收地球表面發(fā)出的長波輻射（紅外輻射），并將其部分輻射回地表，從而導(dǎo)致地球表面溫度升高的現(xiàn)象。其物理機(jī)制主要包括：太陽短波輻射穿透大氣到達(dá)地表，地表吸收后以長波輻射（紅外輻射）形式向外輻射；大氣中的溫室氣體（如CO2、水汽、甲烷等）選擇性地吸收地表發(fā)出的部分紅外輻射；被吸收的能量部分以紅外輻射形式向空間散失，部分向下輻射回地表，使地表溫度高于相同太陽輻射條件下的無大氣情況。三種主要的溫室氣體是：二氧化碳（CO2）、水汽（H2O）、甲烷（CH4）。2.全球氣候模式（GCM）通常包含哪些主要的相互作用模塊？請簡要說明每個模塊的功能。答：全球氣候模式（GCM）通常包含以下主要相互作用模塊：*大氣模塊：模擬大氣環(huán)流、溫度、濕度、輻射收支等大氣過程。*海洋模塊（OGCM）：模擬海洋環(huán)流、海表溫度、海面鹽度、海洋與大氣間的熱量和水分交換等海洋過程。*陸面模塊：模擬陸地表面（植被、土壤、冰雪）的溫度、水分收支、與大氣間的熱量和水分交換等過程。*冰雪圈模塊（有時包含在陸面或單獨(dú)）：模擬海冰、陸冰（格陵蘭、南極冰蓋、高山冰川）的動態(tài)變化和與氣候系統(tǒng)的相互作用。*輻射模塊：計算太陽和地球之間的能量交換，包括短波和長波輻射傳輸。*生物地球化學(xué)模塊（有時包含）：模擬碳循環(huán)、氮循環(huán)等關(guān)鍵元素在氣候系統(tǒng)中的遷移和轉(zhuǎn)化。3.什么是氣候模式的“可分辨率尺度”問題？它對模式模擬結(jié)果有何影響？答：氣候模式的“可分辨率尺度”問題（或稱參數(shù)化尺度問題）是指大氣和海洋等子系統(tǒng)中存在許多重要的物理過程（如云的形成、湍流混合、海浪破碎等）其空間或時間尺度遠(yuǎn)小于當(dāng)前氣候模型能夠分辨的最小網(wǎng)格尺度。由于模型無法直接模擬這些小尺度過程，需要通過參數(shù)化方案來近似描述其對更大尺度環(huán)流的影響。這個問題的存在使得模式輸出不可避免地包含由參數(shù)化方案引入的誤差。其對模式模擬結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在：引入系統(tǒng)性偏差（Bias）；導(dǎo)致對某些氣候現(xiàn)象（如降水、地表溫度的局地細(xì)節(jié)）的模擬不夠準(zhǔn)確；影響模式對氣候反饋過程（如云反饋、冰凍反饋）的模擬準(zhǔn)確性。4.解釋什么是“氣候傾向性”（ClimateTrend）和“內(nèi)部變率”（InternalVariability）。答：“氣候傾向性”（ClimateTrend）是指在長時間尺度上（通常數(shù)十年或更長）氣候系統(tǒng)觀測到的持續(xù)、單調(diào)的變化趨勢，通常歸因于外部強(qiáng)迫（如溫室氣體濃度增加）或氣候系統(tǒng)內(nèi)部緩慢的調(diào)整。它代表了氣候狀態(tài)隨時間發(fā)生偏移的方向?！皟?nèi)部變率”（InternalVariability）是指由氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用驅(qū)動的、不依賴于外部強(qiáng)迫的、具有隨機(jī)性和周期性的自然波動現(xiàn)象。這些變率源于氣候系統(tǒng)各組成部分（如大氣、海洋、海冰、陸地表面）之間的耦合，它們通過改變系統(tǒng)總能量或動量來驅(qū)動氣候狀態(tài)在時間上的隨機(jī)擺動，例如厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）、北大西洋濤動（NAO）等。內(nèi)部變率是氣候系統(tǒng)固有的“自然噪音”。5.集合預(yù)報中常用的“集合展開”（EnsembleSpreading）和“集合發(fā)展”（EnsembleEvolution）分別指什么？它們?nèi)绾斡兄谠u估預(yù)測不確定性？答：“集合展開”（EnsembleSpreading）是指在預(yù)報開始時，通過引入微小、隨機(jī)的擾動（改變初始狀態(tài)或參數(shù)）來創(chuàng)建多個不同的初始條件，但假設(shè)這些擾動不會隨時間增長。這種由初始不確定性導(dǎo)致的集合成員之間的差異稱為集合展開?！凹习l(fā)展”（EnsembleEvolution）是指在相同的模式和外部強(qiáng)迫下，隨著時間的推進(jìn)，由于模式本身動力學(xué)的不確定性和/或模式對擾動的敏感性，不同初始條件的集合成員其狀態(tài)差異會隨著時間的推移而逐漸增大（擴(kuò)散）。集合展開和集合發(fā)展共同構(gòu)成了集合預(yù)報系統(tǒng)（EPS）中不確定性的來源。通過分析多個集合成員隨時間的演變和最終預(yù)報結(jié)果的差異（如集合平均的標(biāo)準(zhǔn)差），可以定量評估預(yù)測的不確定性大小和演變特征。6.在進(jìn)行氣候歸因研究時，除了人類活動強(qiáng)迫，還有哪些主要的自然強(qiáng)迫因素需要考慮？答：在進(jìn)行氣候歸因研究時，除了人類活動強(qiáng)迫（如溫室氣體、氣溶膠排放），還需要考慮以下主要的自然強(qiáng)迫因素：太陽活動變化（如太陽黑子周期引起的總太陽輻射波動）、火山噴發(fā)（大型火山噴發(fā)向大氣注入硫酸鹽氣溶膠，導(dǎo)致短期內(nèi)全球變冷）、地球軌道參數(shù)變化（米蘭科維奇旋回，導(dǎo)致季節(jié)和年際太陽輻射分布的變化，影響長期氣候變化）、平流層水汽變化（平流層水汽濃度的變化會影響平流層輻射平衡和臭氧層，進(jìn)而影響對流層氣候）。三、論述題1.論述大氣環(huán)流模式（AGCM）與海氣耦合模式（OGCM/CGCM）在結(jié)構(gòu)和模擬能力上的主要區(qū)別，并說明為何海氣耦合模式更適合進(jìn)行長期氣候變化研究。答：大氣環(huán)流模式（AGCM）主要關(guān)注大氣圈內(nèi)部的動力學(xué)和熱力學(xué)過程，包括大氣環(huán)流、溫度、濕度、輻射收支等，其水平分辨率通常較高，可以模擬出較為詳細(xì)的天氣現(xiàn)象和大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)。但AGCM通常將海洋視為一個均勻的“混合層”，僅能模擬海表溫度和海表鹽度的平均狀態(tài)，忽略了海洋的垂直結(jié)構(gòu)、上層海洋環(huán)流以及與大氣間的詳細(xì)能量和水分交換過程。其海洋模塊相對簡單，將海洋視為被動地響應(yīng)大氣強(qiáng)迫。海氣耦合模式（Ocean-AtmosphereGeneralCirculationModel,OGCM/CGCM）則同時包含了大氣模塊和海洋模塊，能夠分別模擬大氣和海洋的環(huán)流、溫度、濕度、海表鹽度等場，并包含詳細(xì)的海洋垂直結(jié)構(gòu)和層結(jié)，以及大氣和海洋之間復(fù)雜、多向的能量、水分和動量交換過程（如海氣熱量交換、水汽輸送、風(fēng)應(yīng)力拖曳等）。其主要區(qū)別在于：AGCM模擬大氣，海洋模塊簡化；OGCM/CGCM同時模擬大氣和海洋，包含詳細(xì)的海洋物理過程。海氣耦合模式更適合進(jìn)行長期氣候變化研究，因為氣候變化涉及海氣相互作用的關(guān)鍵過程，如海溫變化對大氣環(huán)流的影響（熱力強(qiáng)迫）、海洋對大氣降水的調(diào)節(jié)（水汽匯）、海洋模式態(tài)（如海洋熱含量變化驅(qū)動的年代際變率）等。這些過程在簡單的AGCM中被忽略或參數(shù)化得過于粗糙，無法準(zhǔn)確模擬氣候系統(tǒng)的長期演變和對外強(qiáng)迫的響應(yīng)，而OGCM/CGCM通過耦合機(jī)制能夠更真實地再現(xiàn)這些相互作用，從而更可靠地預(yù)估長期氣候變化趨勢。2.詳細(xì)闡述氣候預(yù)測中的主要不確定性來源，并討論這些不確定性如何影響我們對未來氣候變化的預(yù)估。答：氣候預(yù)測中的不確定性來源廣泛，主要可以歸納為以下幾類：*模式不確定性：不同氣候模型在物理過程、化學(xué)過程、生物過程以及參數(shù)化方案的選擇和實現(xiàn)上存在差異，導(dǎo)致對同一強(qiáng)迫的響應(yīng)不同。模式分辨率、網(wǎng)格嵌套方式、代碼實現(xiàn)細(xì)節(jié)等也會引入差異。*內(nèi)部變率的不確定性：氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率（如ENSO、PDO等）具有隨機(jī)性和不可預(yù)測性，其強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時間存在自然波動，這使得基于當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行的外推預(yù)測存在隨機(jī)誤差。*外部強(qiáng)迫的不確定性：人類活動排放的未來軌跡（如能源需求、技術(shù)發(fā)展、政策干預(yù)等）具有高度的不確定性，無法精確預(yù)測。同時，未來自然強(qiáng)迫因素（如太陽活動長期趨勢、大型火山噴發(fā)頻率和強(qiáng)度）也存在不確定性。*初始條件的不確定性：預(yù)測的起點(diǎn)是氣候系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)（初始條件），觀測數(shù)據(jù)本身存在誤差和缺失，且無法無限精確地測量整個氣候系統(tǒng)的狀態(tài)，這導(dǎo)致了初始條件的固有不確定性，并通過模式動力學(xué)迅速放大。這些不確定性共同作用，導(dǎo)致集合預(yù)報系統(tǒng)（EPS）產(chǎn)生的集合成員在預(yù)測結(jié)果上存在差異。不確定性對未來氣候變化預(yù)估的影響是顯著的：它使得長期氣候預(yù)估（如百年尺度）的區(qū)間估計（概率范圍）變得至關(guān)重要，而不是給出單一的確定值。較高的不確定性意味著我們對未來氣候變化的可能范圍和具體路徑的把握更小，增加了預(yù)估的難度和風(fēng)險，也使得基于氣候預(yù)估的決策需要更加謹(jǐn)慎，并考慮更多可能的情景。3.以一個具體的氣候現(xiàn)象或事件（如厄爾尼諾-南方濤動現(xiàn)象或極端熱浪事件）為例，說明氣候模擬和預(yù)測在其理解和預(yù)報中的應(yīng)用。以厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）現(xiàn)象為例：*理解：氣候模擬（特別是包含詳細(xì)海洋層結(jié)和海氣耦合的模型）是理解ENSO發(fā)生機(jī)制的關(guān)鍵工具。通過運(yùn)行模式并改變其中的物理參數(shù)或海洋參數(shù)化方案，研究人員可以檢驗和改進(jìn)關(guān)于ENSO海氣相互作用的理論，如海溫異常如何通過風(fēng)場變化影響東太平洋海氣熱量交換，進(jìn)而觸發(fā)大氣環(huán)流和海洋環(huán)流反饋，導(dǎo)致跨赤道遙相關(guān)波列。模式模擬有助于識別ENSO發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域和過程。*預(yù)測：ENSO的年際預(yù)測是氣候預(yù)測的一個重要領(lǐng)域。模式（尤其是集合預(yù)報系統(tǒng)）被用于預(yù)測ENSO狀態(tài)（如厄爾尼諾、拉尼娜、中性）。這通?；趯Ξ?dāng)前海洋狀態(tài)（如東太平洋subsurfacetemperatureanomalies）和大氣狀態(tài)（如熱帶對流活動）的分析，輸入到包含ENSO耦合機(jī)制的模型中進(jìn)行外推。集合預(yù)報通過運(yùn)行多個具有不同初始條件或模式的版本，可以提供對未來ENSO狀態(tài)概率（如發(fā)生厄爾尼諾的概率）的評估，這比單一確定性預(yù)報更有用，因為它量化了預(yù)測的不確定性。氣候模式在ENSO預(yù)測中的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、水資源管理和災(zāi)害防御提供了重要的提前預(yù)警信息。4.探討氣候模型在預(yù)測氣候變化對特定區(qū)域（如水資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)）影響方面所面臨的挑戰(zhàn)，并提出可能的改進(jìn)方向或應(yīng)用策略。氣候模型在預(yù)測氣候變化對特定區(qū)域（如水資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)）影響方面面臨諸多挑戰(zhàn)：*區(qū)域降尺度的準(zhǔn)確性：全球氣候模型（GCM）的分辨率通常不足以直接捕捉特定區(qū)域的精細(xì)地形、海岸線形狀、下墊面特性等地形和物理因素對局地氣候的影響，導(dǎo)致區(qū)域氣候模擬（通過統(tǒng)計或動力學(xué)降尺度）結(jié)果存在偏差。*社會經(jīng)濟(jì)因素的復(fù)雜交互：氣候變化的影響最終體現(xiàn)在人類