2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——大氣科學(xué)中的大尺度氣候模擬技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述大氣環(huán)流模式（AGCM）的基本構(gòu)成模塊及其各自的主要功能。二、海洋在地球氣候系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。請(qǐng)分別說明海洋在熱量平衡和大氣環(huán)流中發(fā)揮的主要作用。三、簡(jiǎn)述耦合模式（CGCM）相較于獨(dú)立的大氣環(huán)流模式（AGCM）和海洋環(huán)流模式（OGCM）的主要優(yōu)勢(shì)。耦合模式面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？四、氣候變率是氣候系統(tǒng)固有的特性。請(qǐng)列舉兩個(gè)重要的氣候變率現(xiàn)象，并簡(jiǎn)述其中一個(gè)現(xiàn)象的物理機(jī)制及其對(duì)全球氣候模擬的影響。五、人類活動(dòng)通過向大氣中排放溫室氣體和氣溶膠等方式，對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。請(qǐng)分別說明溫室氣體和氣溶膠對(duì)地球能量平衡的主要影響機(jī)制。六、氣候模擬結(jié)果的評(píng)估是確保其可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。請(qǐng)列舉至少三種評(píng)估氣候模擬（特別是CGCM輸出）有效性的常用方法，并簡(jiǎn)要說明其中一種方法的原理。七、氣候模擬的不確定性來源廣泛，包括模式本身、外部強(qiáng)迫以及自然變率等。請(qǐng)分別闡述模式不確定性和外部強(qiáng)迫不確定性對(duì)氣候模擬結(jié)果（如未來氣候預(yù)測(cè)）的主要貢獻(xiàn)。如何減少這些不確定性是當(dāng)前氣候科學(xué)研究的重點(diǎn)之一，請(qǐng)簡(jiǎn)述至少兩種應(yīng)對(duì)策略。八、試論述氣候模擬技術(shù)在預(yù)測(cè)未來氣候變化和評(píng)估人類活動(dòng)影響方面的重要性。結(jié)合你對(duì)氣候模擬局限性的理解，說明在使用模擬結(jié)果時(shí)應(yīng)持何種態(tài)度。試卷答案一、答：大氣環(huán)流模式（AGCM）的基本構(gòu)成模塊及其主要功能通常包括：1.動(dòng)力學(xué)模塊：描述大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程（如三維波動(dòng)方程），計(jì)算風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)等。2.熱力學(xué)模塊：描述大氣溫度、濕度等熱力場(chǎng)變量的垂直變化和水平輸送，涉及輻射過程、感熱和潛熱交換等。3.輻射模塊：計(jì)算太陽(yáng)短波輻射和地球長(zhǎng)波輻射在大氣中的吸收、散射和反射，確定地表和大氣頂?shù)哪芰科胶狻?.水汽模塊：模擬水汽的生成（蒸發(fā)）、輸送和相變（凝結(jié)、降水）過程。5.邊界層模塊：模擬大氣底層與地表之間的相互作用，如近地風(fēng)、溫度廊線、熱量和動(dòng)量交換等。6.陸面過程模塊（有時(shí)整合或簡(jiǎn)化）：模擬地表與大氣之間的能量、水汽和動(dòng)量交換，如植被、土壤、冰雪的反照率、熱容量、蒸散發(fā)等。二、答：海洋在地球氣候系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在：1.熱量平衡：海洋具有巨大的熱容量和廣闊的表面積，能夠吸收、儲(chǔ)存和緩慢釋放大量的太陽(yáng)輻射能，從而緩沖全球氣候系統(tǒng)的短期波動(dòng)，穩(wěn)定地球能量平衡。海洋通過洋流將熱量從低緯度輸送到高緯度，調(diào)節(jié)全球熱量分布。2.大氣環(huán)流：海洋表面的蒸發(fā)提供了大氣中大部分的水汽，水汽的輸送和凝結(jié)釋放的潛熱是驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流（特別是熱帶輻合帶、急流等）的重要能量來源。海洋表面的風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)著大規(guī)模的洋流，洋流與大氣環(huán)流相互影響，共同塑造全球氣候模式。三、答：耦合模式（CGCM）相較于獨(dú)立的大氣環(huán)流模式（AGCM）和海洋環(huán)流模式（OGCM）的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬海-氣相互作用這一關(guān)鍵的氣候系統(tǒng)過程，從而更真實(shí)地反映氣候系統(tǒng)的整體行為。優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：能夠更準(zhǔn)確地模擬水循環(huán)（蒸發(fā)、降水）、能量交換（感熱、潛熱）、風(fēng)應(yīng)力對(duì)洋流的影響以及海洋對(duì)大氣環(huán)流反饋等物理過程。耦合模式面臨的主要挑戰(zhàn)包括：模式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量巨大，耗時(shí)很長(zhǎng)；海-氣相互作用過程復(fù)雜，涉及的參數(shù)化方案眾多且存在不確定性；模式-數(shù)據(jù)同化技術(shù)難度大；不同子模型間的耦合接口和物理過程傳遞的準(zhǔn)確性難以完全保證。四、答：重要的氣候變率現(xiàn)象包括厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）和馬登-朱利安振蕩（MJO）。選擇ENSO說明：ENSO是熱帶太平洋海表溫度異常和大氣環(huán)流相關(guān)的準(zhǔn)周期性變化現(xiàn)象。其物理機(jī)制主要涉及：海氣相互作用，即海洋暖池的熱量異常通過改變大氣對(duì)流、風(fēng)場(chǎng)和蒸發(fā)，進(jìn)而反饋影響海洋，形成海溫異常的“熱力反饋”和“風(fēng)生流”等動(dòng)力過程耦合的振蕩。ENSO對(duì)全球氣候產(chǎn)生顯著影響，可導(dǎo)致全球許多地區(qū)的降水和溫度異常。五、答：溫室氣體和氣溶膠對(duì)地球能量平衡的影響機(jī)制：1.溫室氣體（如CO2,CH4,N2O）：主要通過吸收地球向外放射的長(zhǎng)波輻射（紅外輻射），并部分重新輻射回地表，增強(qiáng)地表和低層大氣的能量吸收，導(dǎo)致地球系統(tǒng)能量失衡并向內(nèi)凈增，即產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致全球變暖。它們對(duì)太陽(yáng)短波輻射幾乎不吸收。2.氣溶膠（如硫酸鹽、黑碳、沙塵）：的影響較為復(fù)雜，具有雙重效應(yīng)。一方面，某些氣溶膠（如硫酸鹽、海鹽粒、沙塵）通過反射太陽(yáng)短波輻射到太空，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減少，具有冷卻效應(yīng)（直接效應(yīng)）。另一方面，氣溶膠可以改變?cè)频奈⑽锢硖匦裕ㄈ缭频暮穸?、壽命、降水性），進(jìn)而間接影響云對(duì)能量的反饋（云反饋），其凈效應(yīng)（冷卻或增溫）取決于氣溶膠類型、大小、濃度以及云的特性，且往往具有區(qū)域性差異。六、答：評(píng)估氣候模擬有效性的常用方法包括：1.歷史氣候模擬驗(yàn)證：模擬過去一段時(shí)間的氣候（如1961-2000年），并將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)（如氣溫、降水、海表溫度等）進(jìn)行定量比較，評(píng)估模式再現(xiàn)過去氣候的能力。2.極端事件統(tǒng)計(jì)比較：比較模式模擬出的極端事件（如熱浪、強(qiáng)降水）的頻率、強(qiáng)度分布等統(tǒng)計(jì)特征與觀測(cè)記錄。3.敏感性試驗(yàn)分析：通過改變模式中的關(guān)鍵參數(shù)或外部強(qiáng)迫（如增加CO2濃度），分析模式的響應(yīng)，評(píng)估其對(duì)關(guān)鍵因素的敏感性，檢驗(yàn)物理過程和參數(shù)化的合理性。（選擇其中一種方法說明原理即可，例如歷史氣候模擬驗(yàn)證的原理：通過計(jì)算模式對(duì)已知強(qiáng)迫和內(nèi)部變率的響應(yīng)，并將其結(jié)果與高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行逐點(diǎn)或統(tǒng)計(jì)意義上的對(duì)比，計(jì)算偏差（Bias）和均方根誤差（RMSE）等指標(biāo)，從而評(píng)估模式在模擬特定氣候要素時(shí)空分布、年際變異等方面的準(zhǔn)確性。）4.模式集合比較：使用多個(gè)結(jié)構(gòu)相似但存在差異的模式（組成模式集合）進(jìn)行模擬，比較集合成員之間的差異與觀測(cè)的差異，以分離模式差異和真實(shí)的不確定性。七、答：模式不確定性和外部強(qiáng)迫不確定性是氣候模擬的主要不確定性來源：1.模式不確定性：指不同氣候模型在物理過程描述（如云輻射、陸面蒸散發(fā)）、參數(shù)化方案選擇、分辨率、模式框架等方面存在差異，導(dǎo)致對(duì)同一氣候問題產(chǎn)生不同的模擬結(jié)果。主要貢獻(xiàn)在于模擬的氣候態(tài)（如全球平均溫度、季風(fēng)強(qiáng)度）和氣候變率（如ENSO振幅）存在系統(tǒng)性偏差。2.外部強(qiáng)迫不確定性：指用于驅(qū)動(dòng)氣候模型的外部因素（如溫室氣體濃度、氣溶膠排放、土地利用變化、太陽(yáng)活動(dòng)等）的觀測(cè)數(shù)據(jù)本身存在誤差、缺失，或者未來情景的預(yù)測(cè)存在不確定性。主要貢獻(xiàn)在于模擬的氣候變化幅度和趨勢(shì)可能因?qū)?qiáng)迫因素的估計(jì)不同而有所差異。應(yīng)對(duì)策略：1.發(fā)展更先進(jìn)的模型：通過改進(jìn)物理過程描述、優(yōu)化參數(shù)化方案、提高分辨率來減少模式結(jié)構(gòu)不確