2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——大氣輻射傳輸模式與大氣動(dòng)力過程之間的相互作用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.大氣輻射傳輸過程中，除了吸收和散射外，另一個(gè)重要的過程是________。2.描述大氣垂直運(yùn)動(dòng)的方程是________方程，它反映了氣壓梯度力、科里奧利力和摩擦力與加速度的關(guān)系。3.在大氣輻射傳輸模式中，大氣成分的垂直分布通常用________來描述，它決定了大氣的吸收和散射特性。4.輻射強(qiáng)迫是指由大氣成分變化引起的________輻射與________輻射之差，它對(duì)大氣環(huán)流具有顯著影響。5.大氣中的水汽和氣溶膠是重要的________物質(zhì)，它們的存在會(huì)顯著改變大氣的輻射特性。6.地轉(zhuǎn)平衡是指在大尺度的、________的氣流中，水平氣壓梯度力與科里奧利力________的狀態(tài)。7.云對(duì)大氣輻射的影響主要體現(xiàn)在對(duì)________輻射的吸收、反射和散射方面。8.輻射加熱率是描述________輻射對(duì)大氣感熱和潛熱輸送影響的物理量。9.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中，輻射過程通常通過________或________方案來參數(shù)化。10.大氣波動(dòng)現(xiàn)象，如________和________，是大氣動(dòng)力過程的重要組成部分，它們能夠影響大氣能量的垂直和水平傳輸。二、名詞解釋1.大氣輻射收支2.梯度平衡3.輻射傳輸模式4.科里奧利參數(shù)5.云輻射強(qiáng)迫三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣輻射傳輸?shù)幕具^程及其對(duì)地表溫度的影響。2.比較大尺度大氣運(yùn)動(dòng)和中尺度大氣運(yùn)動(dòng)的區(qū)別，并說明各自在輻射-動(dòng)力相互作用中的角色。3.解釋什么是大氣輻射參數(shù)化，并列舉兩個(gè)常見的輻射參數(shù)化方案及其作用。4.描述大氣輻射加熱率是如何影響近地面大氣邊界層的動(dòng)力結(jié)構(gòu)的。5.為什么說云是影響地球能量平衡的關(guān)鍵因素？請(qǐng)從輻射和動(dòng)力兩個(gè)角度進(jìn)行說明。四、論述題1.詳細(xì)論述大氣輻射過程與大氣動(dòng)力過程之間的主要相互作用機(jī)制，并舉例說明這些相互作用如何影響實(shí)際的天氣現(xiàn)象或氣候模式。2.討論數(shù)值模式中輻射-動(dòng)力耦合的重要性。為什么精確的輻射過程描述對(duì)于改進(jìn)動(dòng)力模式模擬結(jié)果（如溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、降水）至關(guān)重要？分析可能存在的耦合誤差及其來源。3.分析溫室氣體濃度增加對(duì)大氣輻射收支和動(dòng)力過程可能產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響，并探討這些影響之間的反饋關(guān)系。4.假設(shè)你是一名大氣科學(xué)研究者，正在設(shè)計(jì)一個(gè)研究特定區(qū)域夏季對(duì)流云與輻射相互作用的項(xiàng)目。請(qǐng)簡(jiǎn)述你的研究思路，包括你將重點(diǎn)關(guān)注哪些相互作用過程，計(jì)劃采用哪些觀測(cè)手段或模式工具，以及你預(yù)期可能得到的主要科學(xué)成果。試卷答案一、填空題1.透射2.水平3.氣相廓線（或大氣狀態(tài)參數(shù)廓線）4.入射，反射5.改變（或調(diào)制）6.地面靜止，平衡（或相互抵消）7.太陽（或短波）8.大氣（或長(zhǎng)波）9.清空大氣，有云大氣10.慣性波動(dòng)，重力波二、名詞解釋1.大氣輻射收支：指大氣系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)吸收和發(fā)射的太陽輻射與地球輻射的總和。它是維持大氣溫度和地球能量平衡的關(guān)鍵因素。2.梯度平衡：指在水平方向上，由于某種物理量（如溫度、氣壓）的水平梯度引起的力與科里奧利力或其他平衡力相平衡的狀態(tài)，常見于地轉(zhuǎn)平衡和梯度平衡。3.輻射傳輸模式：指用于計(jì)算或模擬電磁輻射（主要是太陽輻射和地球輻射）在大氣中傳播過程的數(shù)學(xué)模型，它考慮了大氣成分、狀態(tài)參數(shù)以及幾何因素對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊憽?.科里奧利參數(shù)：指科里奧利力與質(zhì)量之比，它表示地球自轉(zhuǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的偏向力的大小，隨緯度的增加而增大。5.云輻射強(qiáng)迫：指由云的存在和變化引起的地球表面凈輻射（向下長(zhǎng)波輻射與向上短波輻射之差）的變化，它對(duì)地表溫度和大氣環(huán)流具有顯著影響。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣輻射傳輸?shù)幕具^程及其對(duì)地表溫度的影響。*解析思路：首先回答輻射傳輸?shù)幕具^程，包括太陽輻射的吸收、散射和透射，以及地球輻射的發(fā)射和散射。然后說明這些過程如何影響地表能量平衡。太陽輻射到達(dá)地表一部分被吸收加熱地表，一部分被反射，另一部分被大氣吸收和散射；地表發(fā)射的長(zhǎng)波輻射被大氣吸收，大氣再以輻射形式將能量向上和向下傳輸，形成大氣逆輻射，抵消部分地表輻射損失。凈輻射決定了地表的最終溫度。*答案要點(diǎn)：大氣輻射傳輸?shù)幕具^程包括吸收、散射和透射。太陽輻射在穿過大氣層時(shí)，部分被大氣成分吸收，部分被散射，剩余部分到達(dá)地表。到達(dá)地表的太陽輻射一部分被吸收加熱地表，一部分被反射回太空。地表吸收太陽輻射后溫度升高，會(huì)向大氣發(fā)射長(zhǎng)波輻射。大氣中的某些成分（如水汽、二氧化碳）會(huì)吸收地表發(fā)射的長(zhǎng)波輻射并重新向外輻射（大氣逆輻射）。這些過程共同決定了地表的能量收支和最終溫度。2.比較大尺度大氣運(yùn)動(dòng)和中尺度大氣運(yùn)動(dòng)的區(qū)別，并說明各自在輻射-動(dòng)力相互作用中的角色。*解析思路：先描述大尺度運(yùn)動(dòng)（如天氣系統(tǒng)）的特征（范圍大、周期長(zhǎng)、速度慢），再描述中尺度運(yùn)動(dòng)（如鋒面、渦旋）的特征（范圍中小、周期短、速度快）。然后分別說明這兩種運(yùn)動(dòng)在輻射-動(dòng)力相互作用中的作用。大尺度運(yùn)動(dòng)通常伴隨較大的溫度和濕度梯度，顯著改變大氣輻射特性（如云的形成和分布），同時(shí)也受到輻射加熱場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)。中尺度運(yùn)動(dòng)（特別是對(duì)流）是能量（特別是潛熱）從對(duì)流層低層向高層傳輸?shù)闹匾獧C(jī)制，強(qiáng)烈的上升氣流會(huì)卷挾水汽和污染物到高空，改變局地輻射條件，同時(shí)其強(qiáng)烈的加熱效應(yīng)也會(huì)驅(qū)動(dòng)局地環(huán)流。*答案要點(diǎn)：大尺度大氣運(yùn)動(dòng)指的是范圍在數(shù)百公里以上、周期為數(shù)天以上的大氣運(yùn)動(dòng)，如行星波、大型氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)等，速度相對(duì)較慢。中尺度大氣運(yùn)動(dòng)指的是范圍在幾公里到幾百公里、周期為數(shù)小時(shí)到數(shù)天的大氣運(yùn)動(dòng)，如鋒面、氣旋/反氣旋、對(duì)流系統(tǒng)等，速度相對(duì)較快。在輻射-動(dòng)力相互作用中，大尺度運(yùn)動(dòng)通過塑造大范圍的溫度、濕度場(chǎng)來影響區(qū)域輻射收支，并受到大尺度輻射加熱場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)；中尺度運(yùn)動(dòng)，特別是強(qiáng)對(duì)流，通過強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)卷挾水汽和調(diào)整地表熱力狀況，對(duì)局地輻射過程產(chǎn)生顯著影響，并是潛熱輸送的重要方式，進(jìn)而影響局地動(dòng)力結(jié)構(gòu)。3.解釋什么是大氣輻射參數(shù)化，并列舉兩個(gè)常見的輻射參數(shù)化方案及其作用。*解析思路：首先定義輻射參數(shù)化，即由于尺度過小無法在大氣動(dòng)力學(xué)模式中直接求解輻射過程，而采用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式來描述這些過程對(duì)模式輸出的影響。然后舉例說明具體的方案，如清空大氣方案和有云大氣方案，并解釋其核心思想和作用。*答案要點(diǎn)：大氣輻射參數(shù)化是指在大氣動(dòng)力學(xué)模式中，為了計(jì)算輻射過程對(duì)大氣環(huán)流和輻射場(chǎng)的影響，而使用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)關(guān)系式來代替對(duì)輻射傳輸過程的直接、高分辨率模擬。目的是在保證一定精度的前提下，顯著降低計(jì)算量。常見的輻射參數(shù)化方案包括：清空大氣方案（Clear-skyscheme），用于計(jì)算晴空條件下的輻射收支，它基于大氣狀態(tài)參數(shù)（如溫度、水汽含量）的垂直廓線來估算地表吸收太陽輻射和發(fā)射長(zhǎng)波輻射的情況；有云大氣方案（Cloudy-skyscheme），用于計(jì)算有云條件下的輻射收支，它通常基于云量、云層厚度、云的微物理屬性等信息來確定云對(duì)太陽輻射和地球輻射的吸收、反射和散射效應(yīng)。4.描述大氣輻射加熱率是如何影響近地面大氣邊界層的動(dòng)力結(jié)構(gòu)的。*解析思路：首先說明輻射加熱率的定義，即單位時(shí)間內(nèi)、單位質(zhì)量大氣因吸收輻射而獲得的能量。然后解釋不同類型的輻射加熱率（如太陽加熱率和長(zhǎng)波加熱率）及其垂直分布特征。最后說明這種垂直加熱不均是近地面大氣邊界層湍流混合和垂直運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。*答案要點(diǎn)：大氣輻射加熱率是指大氣吸收太陽輻射和地球輻射后，單位時(shí)間內(nèi)、單位質(zhì)量大氣獲得的能量。太陽加熱率在低層大氣較強(qiáng)，隨高度增加迅速減弱；長(zhǎng)波加熱率則主要在高層大氣強(qiáng)，向地表發(fā)射大氣逆輻射。由于太陽加熱率在近地面最強(qiáng)，而長(zhǎng)波加熱率在近地面為零，導(dǎo)致近地面存在顯著的垂直加熱梯度。這種加熱梯度驅(qū)動(dòng)近地面空氣上升，同時(shí)周圍空氣補(bǔ)充，形成強(qiáng)烈的湍流混合，維持了近地面大氣邊界層（PBL）的垂直發(fā)展和結(jié)構(gòu)。5.為什么說云是影響地球能量平衡的關(guān)鍵因素？請(qǐng)從輻射和動(dòng)力兩個(gè)角度進(jìn)行說明。*解析思路：從輻射角度，說明云通過改變太陽短波輻射和地球長(zhǎng)波輻射的收支來影響能量平衡。從動(dòng)力角度，說明云的生成、發(fā)展和消散過程伴隨著強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，影響大氣環(huán)流和水汽輸送，進(jìn)而影響能量分布。*答案要點(diǎn)：云是影響地球能量平衡的關(guān)鍵因素，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：輻射角度，云通過反射部分到達(dá)地表的太陽短波輻射（冷卻效應(yīng)）和增強(qiáng)大氣對(duì)地球發(fā)射的長(zhǎng)波輻射（增溫效應(yīng)），對(duì)地球的能量收支產(chǎn)生顯著調(diào)節(jié)作用，這種調(diào)節(jié)作用被稱為云輻射強(qiáng)迫，其符號(hào)和大小取決于云的類型、厚度、高度和覆蓋范圍；動(dòng)力角度，云的形成和演變與大氣垂直運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。云凝結(jié)核的濃度影響對(duì)流的發(fā)生和發(fā)展，強(qiáng)對(duì)流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升和下沉氣流，將能量和水汽從低層輸送到高層，改變大氣環(huán)流和水汽分布，從而影響區(qū)域和全球的能量平衡。四、論述題1.詳細(xì)論述大氣輻射過程與大氣動(dòng)力過程之間的主要相互作用機(jī)制，并舉例說明這些相互作用如何影響實(shí)際的天氣現(xiàn)象或氣候模式。*解析思路：本題要求全面梳理輻射和動(dòng)力兩大過程之間的雙向聯(lián)系?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面展開：1)輻射對(duì)動(dòng)力的影響：輻射加熱/冷卻分布驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)（熱力環(huán)流）；輻射參數(shù)化方案影響動(dòng)力過程（如感熱、潛熱輸送）；輻射強(qiáng)迫改變大氣環(huán)流。2)動(dòng)力對(duì)輻射的影響：大氣運(yùn)動(dòng)改變大氣成分分布（水汽、氣溶膠）；云的生成、發(fā)展和移動(dòng)改變輻射傳輸條件；動(dòng)力過程影響大氣光學(xué)特性。舉例時(shí)需要具體，如熱力對(duì)流、云-輻射-動(dòng)力正反饋、平流層臭氧空洞對(duì)極地渦旋的影響等。*答案要點(diǎn)：大氣輻射過程與大氣動(dòng)力過程之間存在復(fù)雜的雙向相互作用機(jī)制。*輻射對(duì)動(dòng)力的影響：輻射加熱不均是大氣運(yùn)動(dòng)的根本驅(qū)動(dòng)力之一。例如，地表受熱不均產(chǎn)生溫度梯度，形成熱力環(huán)流。大氣輻射參數(shù)化方案（如感熱通量、潛熱通量）直接包含在動(dòng)力方程中，它們描述了輻射過程對(duì)大氣垂直運(yùn)動(dòng)和能量交換的影響。輻射強(qiáng)迫（如溫室氣體增加導(dǎo)致的紅外輻射增加）會(huì)改變大氣溫度場(chǎng)，進(jìn)而影響氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，導(dǎo)致全球氣候模式模擬出如熱浪增多增強(qiáng)、季風(fēng)異常等變化。*動(dòng)力對(duì)輻射的影響：大氣垂直運(yùn)動(dòng)會(huì)改變大氣成分的垂直分布。例如，對(duì)流旺盛的區(qū)域，水汽被輸送到高空，在高空形成云層，顯著改變大氣輻射特性。氣流的輻合輻散也會(huì)影響近地面的水汽和污染物濃度，進(jìn)而影響輻射傳輸。云的生成、發(fā)展和移動(dòng)是大氣運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)果，不同類型和厚度的云對(duì)太陽輻射和地球輻射的吸收、反射、散射效應(yīng)不同，從而顯著影響地表和大氣層的能量平衡。例如，平流層臭氧空洞導(dǎo)致臭氧濃度降低，吸收太陽紫外輻射減少，引起平流層降溫，并通過動(dòng)力過程影響對(duì)流層溫度和環(huán)流，進(jìn)而影響地面氣候。2.討論數(shù)值模式中輻射-動(dòng)力耦合的重要性。為什么精確的輻射過程描述對(duì)于改進(jìn)動(dòng)力模式模擬結(jié)果（如溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、降水）至關(guān)重要？分析可能存在的耦合誤差及其來源。*解析思路：首先強(qiáng)調(diào)耦合的必要性，即單獨(dú)的輻射和動(dòng)力模式無法完全反映真實(shí)大氣。然后重點(diǎn)論述精確輻射描述對(duì)動(dòng)力模擬結(jié)果的重要性，可以從能量平衡、水汽循環(huán)、云的形成和演變等角度說明。接著分析耦合誤差的可能來源，如輻射參數(shù)化方案的簡(jiǎn)化、模式分辨率不足、邊界條件處理、參數(shù)化方案之間的相互作用等。*答案要點(diǎn)：數(shù)值模式中輻射-動(dòng)力耦合至關(guān)重要，因?yàn)檎鎸?shí)大氣是一個(gè)耦合系統(tǒng)，輻射過程和動(dòng)力過程相互影響、相互制約。僅使用輻射模式無法模擬大氣運(yùn)動(dòng)，僅使用動(dòng)力模式也無法準(zhǔn)確計(jì)算輻射收支和能量交換。*精確的輻射過程描述對(duì)于改進(jìn)動(dòng)力模式模擬結(jié)果至關(guān)重要。首先，輻射過程是大氣能量平衡的決定性因素，準(zhǔn)確的輻射計(jì)算是獲得合理大氣溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)。其次，輻射過程直接影響大氣水汽的垂直分布和總量，而水汽是云和降水形成的關(guān)鍵物質(zhì)，也是潛熱輸送的主要載體。潛熱釋放是驅(qū)動(dòng)對(duì)流發(fā)展的重要機(jī)制，進(jìn)而影響風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)。此外，云的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)顯著，準(zhǔn)確模擬云的生成、發(fā)展和消散需要輻射和動(dòng)力過程的緊密耦合。因此，不準(zhǔn)確的輻射描述會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)偏差、水汽循環(huán)錯(cuò)誤、云量云狀失真、降水模擬不準(zhǔn)確等問題，最終影響動(dòng)力模式對(duì)風(fēng)場(chǎng)、環(huán)流等整體模擬的精度。*可能存在的耦合誤差及其來源：1)輻射參數(shù)化方案的簡(jiǎn)化：任何參數(shù)化方案都包含對(duì)物理過程的簡(jiǎn)化假設(shè)，無法完全精確地代表真實(shí)過程。2)模式分辨率不足：在低分辨率模式下，小尺度的輻射過程和動(dòng)力過程難以被有效分辨和模擬。3)邊界條件處理：地表參數(shù)化、海表溫度等邊界條件的準(zhǔn)確性也會(huì)影響耦合結(jié)果。4)參數(shù)化方案之間的相互作用：不同物理過程參數(shù)化方案之間可能存在未完全考慮的相互作用。5)模式框架：模式的垂直坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間積分方案等也可能引入誤差。3.分析溫室氣體濃度增加對(duì)大氣輻射收支和動(dòng)力過程可能產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響，并探討這些影響之間的反饋關(guān)系。*解析思路：首先分析溫室氣體增加對(duì)輻射收支的影響，即導(dǎo)致地球輻射強(qiáng)迫增加，地球系統(tǒng)吸收更多能量，能量失衡。然后分析這種輻射失衡如何通過動(dòng)力過程響應(yīng)，如全球變暖、大氣環(huán)流調(diào)整。最后重點(diǎn)探討這些影響之間的反饋機(jī)制，特別是正反饋（如冰雪反演、水汽反饋、云反饋）如何放大初始的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)。*答案要點(diǎn)：溫室氣體濃度增加對(duì)大氣輻射收支和動(dòng)力過程產(chǎn)生顯著的長(zhǎng)期影響，并存在復(fù)雜的反饋關(guān)系。*溫室氣體濃度增加導(dǎo)致大氣對(duì)地球發(fā)射的長(zhǎng)波輻射吸收增加（即溫室效應(yīng)增強(qiáng)），使得地球系統(tǒng)凈向空間的長(zhǎng)波輻射減少，導(dǎo)致地球輻射強(qiáng)迫增加，大氣系統(tǒng)吸收的總能量大于向外輻射的能量，出現(xiàn)能量失衡，引發(fā)全球變暖。*這種輻射失衡會(huì)通過動(dòng)力過程產(chǎn)生響應(yīng)。全球平均溫度升高會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)流調(diào)整，例如，極地變暖快于中緯度，導(dǎo)致極地渦旋增強(qiáng)、西風(fēng)帶變寬/變?nèi)?、副熱帶高壓變化等。同時(shí)，溫度升高增加大氣水汽含量，水汽是強(qiáng)效溫室氣體，進(jìn)一步加劇溫室效應(yīng)。*這些影響之間存在多種反饋機(jī)制，其中一些是正反饋，會(huì)放大初始的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)：1)冰雪反演（Albedofeedback）：全球變暖導(dǎo)致極地和高山冰川融化，暴露出darker地表（如海洋或裸地），反射率降低（反照率減小），吸收更多太陽輻射，進(jìn)一步增溫。2)水汽反饋（Watervaporfeedback）：溫度升高導(dǎo)致大氣持水能力增強(qiáng)，水汽含量增加，水汽作為溫室氣體吸收更多紅外輻射，加劇變暖。這是最強(qiáng)的正反饋之一。3)云反饋（Cloudfeedback）：溫度升高和水汽增加對(duì)云的影響復(fù)雜，可能增加低云覆蓋（冷卻效果）或增加高層云/冰晶云（增溫效果），凈效應(yīng)不確定，但可能偏向于正反饋。*這些正反饋機(jī)制的存在使得氣候系統(tǒng)對(duì)初始的溫室氣體強(qiáng)迫更加敏感，導(dǎo)致氣候變暖的幅度可能遠(yuǎn)超直接由溫室氣體增加引起的輻射強(qiáng)迫變化。4.假設(shè)你是一名大氣科學(xué)研究者，正在設(shè)計(jì)一個(gè)研究特定區(qū)域夏季對(duì)流云與輻射相互作用的項(xiàng)目。請(qǐng)簡(jiǎn)述你的研究思路，包括你將重點(diǎn)關(guān)注哪些相互作用過程，計(jì)劃采用哪些觀測(cè)手段或模式工具，以及你預(yù)期可能得到的主要科學(xué)成果。*解析思路：首先明確研究區(qū)域和季節(jié)，確定研究的具體地理范圍和時(shí)間框架。然后識(shí)別核心的相互作用過程，即夏季對(duì)流云的形成、發(fā)展和消亡過程如何與局地輻射收支（特別是太陽輻射加熱和長(zhǎng)波輻射冷卻）相互影響。接著提出具體的觀測(cè)手段（地面、高空、衛(wèi)星）和模式工具（輻射-對(duì)流模式、高分辨率動(dòng)力學(xué)模式），并說明選擇理由。最后，根據(jù)研究目標(biāo)和核心過程，預(yù)測(cè)可能得到的主要科學(xué)成果，如云對(duì)地表凈輻射的影響、輻射加熱對(duì)對(duì)流觸發(fā)和維持的作用、相互作用對(duì)局地氣候（如溫度、降水）的影響等。*答案要點(diǎn)：*研究區(qū)域與季節(jié)：假設(shè)研究區(qū)域?yàn)闁|亞季風(fēng)區(qū)某典型對(duì)流活躍區(qū)（如長(zhǎng)江中下游地區(qū)），研究時(shí)段為夏季（如6-8月）。*重點(diǎn)關(guān)注相互作用過程：重點(diǎn)關(guān)注夏季強(qiáng)對(duì)流云（積雨云）的生命周期（發(fā)展、成熟、消亡）中，云的微物理過程（水汽凝結(jié)/凍結(jié)、降