2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——大氣中的微尺度對(duì)流及其模擬考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在干絕熱過(guò)程中，干空氣的位溫（θ）隨高度的變化主要取決于什么？(A)空氣的初始溫度(B)空氣的初始?jí)毫?C)環(huán)境溫度垂直遞減率(D)空氣的濕度2.大氣不穩(wěn)定性的直接量度是？(A)比濕(B)位溫(C)氣壓(D)溫度露點(diǎn)差3.大氣中潛熱釋放最主要的機(jī)制是？(A)水汽凝結(jié)(B)水汽蒸發(fā)(C)冰晶升華(D)干空氣絕熱冷卻4.對(duì)流尺度組織（如對(duì)流的線、帶）的形成通常與什么現(xiàn)象有關(guān)？(A)單一強(qiáng)對(duì)流單體發(fā)展(B)不同尺度對(duì)流系統(tǒng)的合并(C)邊界層輻合線的存在(D)純粹的絕熱不穩(wěn)定5.在微尺度對(duì)流數(shù)值模擬中，云物理參數(shù)化主要用來(lái)模擬什么過(guò)程？(A)大尺度動(dòng)量輸送(B)小尺度湍流擴(kuò)散(C)云和降水的生成、蒸發(fā)和沉降(D)地表熱量交換6.條件性不穩(wěn)定（CI）的產(chǎn)生需要什么條件？(A)絕熱遞減率大于干絕熱遞減率(B)絕熱遞減率小于濕絕熱遞減率(C)環(huán)境溫度隨高度下降，且在某個(gè)高度上氣溫高于同一高度的絕熱氣溫(D)地表加熱率超過(guò)潛熱釋放率7.對(duì)流單體生命循環(huán)中，哪個(gè)階段上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，正浮力最大？(A)發(fā)展階段(B)成熟階段(C)消亡階段(D)積聚階段8.CISK（對(duì)流-インデックス?サイクル）理論認(rèn)為，海上的強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)如何影響大氣環(huán)流？(A)直接驅(qū)動(dòng)行星波活動(dòng)(B)通過(guò)加熱擾動(dòng)激發(fā)西太平洋暖池上的波動(dòng)，進(jìn)而影響大氣環(huán)流(C)導(dǎo)致地面氣壓場(chǎng)迅速升高(D)主要影響高層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)9.微尺度對(duì)流模擬中，網(wǎng)格尺度的大小對(duì)模擬結(jié)果有何影響？(A)網(wǎng)格越細(xì)，模擬結(jié)果越精確，但計(jì)算量越大(B)網(wǎng)格越粗，模擬結(jié)果越粗糙，但計(jì)算量越小(C)網(wǎng)格尺度主要影響對(duì)流的宏觀統(tǒng)計(jì)特征，對(duì)單體細(xì)節(jié)影響不大(D)網(wǎng)格尺度對(duì)模擬結(jié)果影響不大，主要取決于模式參數(shù)化10.地表性質(zhì)（如土壤濕度、植被覆蓋）主要通過(guò)什么方式影響近地面的微尺度對(duì)流？(A)直接改變大氣溫度直減率(B)影響地表熱量和水分通量，進(jìn)而影響對(duì)流不穩(wěn)定能量的積累和釋放(C)增加大氣的垂直風(fēng)速(D)減少大氣的濕度二、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分）1.絕熱不穩(wěn)定2.潛熱釋放3.浮力通量4.對(duì)流觸發(fā)層5.微尺度對(duì)流模擬參數(shù)化方案三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述大氣干絕熱過(guò)程和濕絕熱過(guò)程的主要區(qū)別。2.解釋地表加熱不均勻性如何觸發(fā)局地對(duì)流活動(dòng)。3.簡(jiǎn)述微尺度對(duì)流模擬中，模擬分辨率選擇需要考慮的主要因素。4.比較絕熱不穩(wěn)定和條件不穩(wěn)定在對(duì)流發(fā)展條件上的主要差異。四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)闡述潛熱釋放在維持和發(fā)展大氣對(duì)流活動(dòng)中的作用機(jī)制。2.結(jié)合物理過(guò)程，論述邊界層內(nèi)的輻合線或鋒面如何有利于對(duì)流活動(dòng)的組織和加強(qiáng)。3.討論當(dāng)前微尺度對(duì)流數(shù)值模擬面臨的主要挑戰(zhàn)，以及可能的改進(jìn)方向。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(B)3.(A)4.(C)5.(C)6.(C)7.(A)8.(B)9.(A)10.(B)二、名詞解釋1.絕熱不穩(wěn)定：指大氣塊在絕熱上升過(guò)程中，其絕熱氣溫遞減率大于環(huán)境氣溫遞減率，導(dǎo)致氣塊持續(xù)獲得正浮力而加速上升的一種大氣狀態(tài)。2.潛熱釋放：指水汽凝結(jié)或升華成液態(tài)水或冰晶時(shí)，所釋放的隱含熱量。這是大氣中重要的能量來(lái)源，尤其在對(duì)流和大型氣團(tuán)活動(dòng)過(guò)程中。3.浮力通量：指單位時(shí)間通過(guò)單位面積垂直向上輸運(yùn)的凈浮力。它代表了大氣垂直動(dòng)量的源或匯，對(duì)流活動(dòng)受到正浮力通量的驅(qū)動(dòng)。4.對(duì)流觸發(fā)層：指在近地面存在一個(gè)溫度高于其上空的層，當(dāng)氣塊在此層及其以下受到抬升時(shí)，會(huì)因浮力而加速上升，越過(guò)觸發(fā)層后進(jìn)入更不穩(wěn)定的環(huán)境，從而觸發(fā)對(duì)流發(fā)展。5.微尺度對(duì)流模擬參數(shù)化方案：指在數(shù)值模式中，用來(lái)模擬那些比模式網(wǎng)格尺度小得多的物理過(guò)程（如云、降水、湍流、地表過(guò)程等）對(duì)大尺度環(huán)流影響的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)表達(dá)式或方法。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣干絕熱過(guò)程和濕絕熱過(guò)程的主要區(qū)別。區(qū)別在于是否有水相變化和釋放潛熱。*干絕熱過(guò)程：空氣塊絕熱上升或下沉，過(guò)程中空氣中的水汽含量保持不變，沒(méi)有水相變化，空氣溫度僅因氣壓變化而改變。干絕熱遞減率是一個(gè)常數(shù)（約9.8K/km）。*濕絕熱過(guò)程：空氣塊絕熱上升，氣溫降低，達(dá)到飽和后水汽開(kāi)始凝結(jié)（或升華），釋放潛熱，這股熱量部分補(bǔ)償了空氣冷卻，使得濕絕熱過(guò)程的氣溫下降速率小于干絕熱過(guò)程。濕絕熱遞減率隨高度和初始濕度變化，通常比干絕熱遞減率小。2.解釋地表加熱不均勻性如何觸發(fā)局地對(duì)流活動(dòng)。地表加熱不均勻性會(huì)導(dǎo)致近地面溫度和氣壓分布不均。在暖區(qū)，地面溫度高，近地面空氣受熱膨脹，密度減小而上升，形成低壓區(qū)。上升的暖空氣在上升過(guò)程中絕熱冷卻，如果環(huán)境不穩(wěn)定，便會(huì)繼續(xù)發(fā)展形成對(duì)流。同時(shí)，周?chē)^冷、較重的空氣會(huì)流向暖區(qū)低層補(bǔ)充，進(jìn)一步加劇了局地的垂直運(yùn)動(dòng)。這種由地表不均勻加熱驅(qū)動(dòng)的局地上升氣流就是局地對(duì)流活動(dòng)。3.簡(jiǎn)述微尺度對(duì)流模擬中，模擬分辨率選擇需要考慮的主要因素。*物理現(xiàn)象的尺度：分辨率需要至少能分辨出要模擬的主要物理過(guò)程的最大和最小尺度。例如，要模擬對(duì)流單體，分辨率至少要能分辨對(duì)流單體尺度；要模擬云內(nèi)微物理過(guò)程，可能需要更高的分辨率。*計(jì)算資源限制：更高的分辨率意味著更大的計(jì)算量（CPU時(shí)間和內(nèi)存需求），需要根據(jù)可用的計(jì)算資源進(jìn)行權(quán)衡。*模式的穩(wěn)定性和收斂性：分辨率過(guò)高可能導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算不穩(wěn)定或收斂困難。需要通過(guò)試驗(yàn)確定合適的分辨率范圍。*模式的網(wǎng)格嵌套：如果采用網(wǎng)格嵌套技術(shù)，需要考慮嵌套區(qū)域和主區(qū)域的分辨率匹配問(wèn)題。*模擬目的：對(duì)流活動(dòng)的研究可能需要較高的分辨率，而研究其大尺度強(qiáng)迫或統(tǒng)計(jì)特征時(shí)，較低的分辨率可能就足夠了。4.比較絕熱不穩(wěn)定和條件不穩(wěn)定在對(duì)流發(fā)展條件上的主要差異。*絕熱不穩(wěn)定：對(duì)流發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是大氣本身的絕熱不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即環(huán)境空氣的溫度隨高度下降的速率（環(huán)境直減率）大于干空氣的絕熱冷卻速率。這種不穩(wěn)定存在于環(huán)境空氣柱中，不需要額外的觸發(fā)機(jī)制，只要有抬升源（如地形、輻合線）即可觸發(fā)對(duì)流。例如，在晴空暖云發(fā)展或高空急流附近。*條件不穩(wěn)定：對(duì)流發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是大氣中的條件不穩(wěn)定層結(jié)。即近地面空氣是絕熱穩(wěn)定的，但在某個(gè)高度以上存在一個(gè)絕熱不穩(wěn)定層（環(huán)境直減率大于干絕熱遞減率）。要使對(duì)流發(fā)展，必須有一個(gè)觸發(fā)機(jī)制將不穩(wěn)定空氣抬升到這個(gè)不穩(wěn)定層以上。常見(jiàn)的觸發(fā)機(jī)制包括地表加熱產(chǎn)生的熱力抬升、地形抬升、氣流的輻合抬升等。例如，典型的雷暴天氣。四、論述題1.詳細(xì)闡述潛熱釋放在維持和發(fā)展大氣對(duì)流活動(dòng)中的作用機(jī)制。潛熱釋放在對(duì)流活動(dòng)的發(fā)展和維持中扮演著至關(guān)重要的角色，主要通過(guò)以下機(jī)制：*提供能量正反饋：當(dāng)不穩(wěn)定空氣塊被抬升到飽和高度后，水汽凝結(jié)（或冰晶升華）釋放潛熱。這股熱量直接加熱了上升的空氣塊，使其溫度升高，密度減小，進(jìn)一步增強(qiáng)了其正浮力，導(dǎo)致空氣加速上升。這就是一個(gè)正反饋過(guò)程，潛熱釋放顯著增強(qiáng)了上升氣流的發(fā)展和強(qiáng)度。*維持對(duì)流層中上部的有組織結(jié)構(gòu)：對(duì)流釋放的潛熱不僅加熱了上升氣流，也通過(guò)感熱和平流等方式向周?chē)h(huán)境釋放熱量，特別是在對(duì)流層中上部。這有助于加熱那里的環(huán)境空氣，使其變得更不穩(wěn)定，從而為對(duì)流活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展和更大范圍的循環(huán)提供了有利的背景環(huán)境。例如，在CISK理論中，對(duì)流加熱維持了西太平洋暖池附近的上層熱力強(qiáng)迫。*影響大氣環(huán)流和降水分布：大規(guī)模的對(duì)流活動(dòng)及其伴隨的潛熱釋放，可以組織成對(duì)流云團(tuán)或帶，進(jìn)而影響區(qū)域性的大氣環(huán)流和水汽輸送。釋放的潛熱通過(guò)大氣環(huán)流向上傳輸，最終通過(guò)降水形式釋放，對(duì)區(qū)域乃至全球的水循環(huán)和氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。2.結(jié)合物理過(guò)程，論述邊界層內(nèi)的輻合線或鋒面如何有利于對(duì)流活動(dòng)的組織和加強(qiáng)。邊界層內(nèi)的輻合線（如輻合帶、地形輻合線）或鋒面是觸發(fā)和加強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)的理想場(chǎng)所，主要基于以下物理過(guò)程：*提供抬升機(jī)制：輻合線意味著在水平方向上氣流的匯合，根據(jù)連續(xù)性方程，這必然導(dǎo)致輻合線附近氣流的垂直分量增大，即產(chǎn)生向上的垂直速度，提供了強(qiáng)制抬升機(jī)制。鋒面是冷、暖空氣的交界面，由于密度和溫度差異，在鋒面附近存在顯著的密度梯度，導(dǎo)致氣流的被迫抬升（例如冷氣楔入暖氣團(tuán)下方）。*破壞地表均勻性，加劇不穩(wěn)定：輻合線或鋒面通常會(huì)帶來(lái)地表加熱和動(dòng)力條件的非均勻性。例如，鋒面過(guò)境常伴隨降水和云覆蓋，改變了地表與大氣之間的熱量交換方式；地形輻合線則直接連接了不同下墊面。這種非均勻性導(dǎo)致局地?zé)崃Σ町愒龃?，更容易產(chǎn)生不穩(wěn)定能量積累。*匯聚水汽：輻合線或鋒面常常是水汽輻合的區(qū)域，有利于暖濕空氣的聚集。充足的水汽是維持對(duì)流發(fā)展和產(chǎn)生降水的前提條件。*提供觸發(fā)層：輻合線或鋒面附近的溫度和濕度梯度常常形成對(duì)流觸發(fā)層。當(dāng)存在不穩(wěn)定空氣時(shí)，一旦有微小擾動(dòng)（如地形抬升、氣旋性曲率產(chǎn)生的科里奧利力）將其抬升到觸發(fā)層以上，便會(huì)觸發(fā)對(duì)流發(fā)展。*促進(jìn)對(duì)流組織：在輻合線或鋒面附近，上升氣流不僅受到初始抬升的驅(qū)動(dòng)，還可能受到后續(xù)氣流的強(qiáng)迫和已有對(duì)流系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔?，更容易發(fā)展成組織性更強(qiáng)的對(duì)流系統(tǒng)（如對(duì)流線、帶），形成持續(xù)性的強(qiáng)降水。3.討論當(dāng)前微尺度對(duì)流模擬面臨的主要挑戰(zhàn)，以及可能的改進(jìn)方向。微尺度對(duì)流模擬目前面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：*尺度轉(zhuǎn)換難題（嵌套問(wèn)題）：微尺度過(guò)程（如對(duì)流單體）的尺度遠(yuǎn)小于模式的全局尺度，而要準(zhǔn)確模擬其細(xì)節(jié)，又需要極高的分辨率。直接在大尺度網(wǎng)格上模擬小尺度過(guò)程精度不足，而采用網(wǎng)格嵌套雖然可以提高局部分辨率，但增加了模式的復(fù)雜性和計(jì)算量，且嵌套邊界處理可能引入誤差。*云-降水物理過(guò)程的參數(shù)化：云和降水的形成、增長(zhǎng)、蒸發(fā)和沉降過(guò)程極其復(fù)雜，涉及微物理過(guò)程（如云滴碰撞增長(zhǎng)、冰晶的貝吉隆過(guò)程等）。目前常用的參數(shù)化方案大多基于統(tǒng)計(jì)或半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，簡(jiǎn)化過(guò)多，難以完全捕捉云微物理過(guò)程的精細(xì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)反饋，導(dǎo)致模擬的降水量和類(lèi)型與實(shí)況存在系統(tǒng)偏差。*湍流過(guò)程的參數(shù)化：對(duì)流活動(dòng)伴隨著強(qiáng)烈的近地面和中層湍流混合?，F(xiàn)有湍流參數(shù)化方案在描述這種強(qiáng)湍流的結(jié)構(gòu)、能量傳遞和與對(duì)流組織的相互作用方面仍有不足。*模式分辨率與計(jì)算資源的矛盾：要獲得高分辨率的模擬結(jié)果以捕捉微尺度對(duì)流細(xì)節(jié)，需要巨大的計(jì)算資源，這對(duì)于許多研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)難以承受。如何在有限的資源下獲得盡可能準(zhǔn)確的模擬結(jié)果是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。*模式對(duì)初始條件和參數(shù)化方案變化的敏感性：微尺度對(duì)流系統(tǒng)對(duì)大氣環(huán)境條件（如初始溫度、濕度擾動(dòng)）和模式參數(shù)化方案的選擇非常敏感，小的不確定性可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的大幅差異，降低了模擬的可預(yù)測(cè)性。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，可能的改進(jìn)方向包括：*發(fā)展更高效的嵌套技術(shù)和多尺度耦合方法：研究更優(yōu)化的嵌套策略，減少嵌套邊界誤差；探索數(shù)據(jù)同化等技術(shù)在嵌套中的應(yīng)用；研究多尺度模式耦合系統(tǒng)，更有效地連接不同空間和時(shí)間尺度的過(guò)程。*改進(jìn)云-降水物理參數(shù)化方案：基于更深入的微物理觀測(cè)和理論理解，發(fā)展更復(fù)雜、更基于物理的云微物理參數(shù)化方案，或采用雙流體云模型等更精細(xì)的模擬方法；利