2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——大氣環(huán)流模式與海洋環(huán)流模式在氣象預(yù)測(cè)中的應(yīng)用考試時(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)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.以下哪一項(xiàng)不是大氣環(huán)流模式（AGCM）通常需要解決的核心物理方程？(A)熱力學(xué)方程(B)動(dòng)力學(xué)方程（包括連體方程）(C)海洋熱力學(xué)方程(D)輻射傳輸方程2.在大氣科學(xué)中，"模式參數(shù)化"主要指的是對(duì)以下哪類過(guò)程的定量模擬？(A)大氣中的宏觀運(yùn)動(dòng)(B)太陽(yáng)輻射在大氣中的傳輸(C)大氣邊界層中的湍流交換(D)地球與大氣之間的熱量交換3.集合天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（EPS）主要為了應(yīng)對(duì)大氣預(yù)報(bào)中的哪種特性？(A)模式分辨率有限(B)初始條件的不確定性(C)模式物理過(guò)程參數(shù)化誤差的系統(tǒng)性偏差(D)計(jì)算資源限制4.厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）現(xiàn)象的年際氣候異常主要與以下哪個(gè)耦合模式的關(guān)鍵區(qū)域和過(guò)程密切相關(guān)？(A)北大西洋暖流(B)太平洋海氣相互作用(C)北太平洋濤動(dòng)(D)大西洋熱帶輻合帶5.大氣環(huán)流模式（AGCM）與海洋環(huán)流模式（OGCM）耦合的主要目的是？(A)僅提高AGCM的垂直分辨率(B)僅提高OGCM的水平分辨率(C)實(shí)現(xiàn)大氣和海洋之間物理過(guò)程的相互作用模擬(D)完全取代獨(dú)立的AGCM和OGCM6.以下哪種技術(shù)通常用于評(píng)估數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的表現(xiàn)？(A)散度計(jì)算(B)絕對(duì)誤差分析(C)計(jì)算模式效率比(D)與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（如RMSE、相關(guān)系數(shù)）7.海洋環(huán)流模式（OGCM）模擬的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)力是？(A)大氣壓力梯度力(B)海水密度梯度力（浮力）(C)海水粘性力(D)地球自轉(zhuǎn)偏向力8.在陸面過(guò)程參數(shù)化中，植被蒸騰作用對(duì)區(qū)域氣候模擬具有顯著影響，這體現(xiàn)了模式中哪個(gè)要素的重要性？(A)大氣環(huán)流反饋(B)海洋熱量輸送(C)生物地球化學(xué)循環(huán)(D)陸面水文過(guò)程9.模式系統(tǒng)誤差通常指的是？(A)模式模擬結(jié)果與觀測(cè)值的長(zhǎng)期平均偏差(B)由于隨機(jī)擾動(dòng)導(dǎo)致的模擬結(jié)果波動(dòng)(C)模式計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的舍入誤差(D)模式在極端天氣事件中的瞬時(shí)誤差10.短期氣候預(yù)測(cè)（例如季報(bào)）相較于短期天氣預(yù)報(bào)，其主要挑戰(zhàn)在于？(A)需要更高的空間分辨率(B)更難精確捕捉大氣中小尺度過(guò)程(C)需要考慮更復(fù)雜的陸海氣相互作用(D)初始場(chǎng)確定性誤差隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)二、名詞解釋（每題3分，共15分。請(qǐng)給出簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的定義）1.大氣邊界層2.模式集合3.海洋混合層4.陸面過(guò)程參數(shù)化5.氣候模態(tài)三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述大氣環(huán)流模式（AGCM）模擬大氣運(yùn)動(dòng)的基本思路。2.列舉至少三種大氣環(huán)流模式中常見的物理過(guò)程參數(shù)化方案，并簡(jiǎn)述其模擬的核心物理過(guò)程。3.簡(jiǎn)述海洋環(huán)流模式（OGCM）在模擬海洋環(huán)流時(shí)需要考慮的主要物理過(guò)程。4.為什么集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（EPS）被認(rèn)為是提高短期天氣預(yù)報(bào)可靠性的重要技術(shù)？四、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問題）1.試論述大氣環(huán)流模式（AGCM）在短期氣候預(yù)測(cè)中的應(yīng)用潛力和主要面臨的挑戰(zhàn)。2.詳細(xì)分析大氣環(huán)流模式（AGCM）與海洋環(huán)流模式（OGCM）耦合的必要性和主要優(yōu)勢(shì)。3.討論當(dāng)前大氣和海洋環(huán)流模式在模擬極端天氣事件（如臺(tái)風(fēng)、寒潮）時(shí)存在的局限性，并提出可能的改進(jìn)方向。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.C6.D7.B8.D9.A10.C二、名詞解釋1.大氣邊界層：指地球表面（如陸地或海洋）到大氣中一個(gè)高度區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，大氣與地表之間的熱量、動(dòng)量、水分交換最為活躍，地表特性對(duì)大氣狀態(tài)有顯著影響。2.模式集合：在集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)初始狀態(tài)進(jìn)行微小的、隨機(jī)的擾動(dòng)（通常是統(tǒng)計(jì)性擾動(dòng)），然后使用相同的模式動(dòng)力學(xué)和參數(shù)化方案進(jìn)行獨(dú)立積分，生成多個(gè)（通常是幾十個(gè)）不同的模式軌跡，這些軌跡的集合稱為模式集合。3.海洋混合層：指海洋表面附近的一個(gè)薄層水體，其垂直方向上的溫度和鹽度（密度）梯度較小，混合層內(nèi)的水體交換主要受風(fēng)應(yīng)力、海浪、大氣降水、蒸發(fā)以及湍流擴(kuò)散等過(guò)程的影響。4.陸面過(guò)程參數(shù)化：指用數(shù)學(xué)公式或算法來(lái)模擬地表（植被、土壤、水體等）與大氣之間進(jìn)行的各種物理過(guò)程（如感熱、潛熱通量、輻射交換、蒸發(fā)、蒸騰、runoff等）以及這些過(guò)程如何受大氣邊界層和陸面特性（如土壤濕度、植被類型）的影響。5.氣候模態(tài)：指在氣候系統(tǒng)（如大氣或海洋）中，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析（如主成分分析）發(fā)現(xiàn)的具有特定時(shí)空結(jié)構(gòu)和時(shí)空相關(guān)性的、貢獻(xiàn)最大的氣候變率模式，代表了一種主要的氣候變異方式，例如厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）和北大西洋濤動(dòng)（NAO）。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣環(huán)流模式（AGCM）模擬大氣運(yùn)動(dòng)的基本思路。解析思路：AGCM通過(guò)求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的控制方程組（主要是動(dòng)力學(xué)方程和熱力學(xué)方程）來(lái)模擬大氣狀態(tài)隨時(shí)間和空間的變化。其基本思路是：將整個(gè)大氣層劃分為規(guī)則的網(wǎng)格點(diǎn)（三維空間），在每個(gè)格點(diǎn)上，根據(jù)該點(diǎn)的物理屬性（如風(fēng)速、溫度、濕度等）和時(shí)間，運(yùn)用數(shù)值方法（如有限差分、有限體積或譜方法）求解控制方程，推算出下一時(shí)刻每個(gè)格點(diǎn)上的大氣狀態(tài)。通過(guò)逐時(shí)逐刻的積分，模擬大氣的宏觀運(yùn)動(dòng)（如風(fēng)場(chǎng)、溫場(chǎng)、水汽場(chǎng)）和天氣系統(tǒng)的生消演變。2.列舉至少三種大氣環(huán)流模式中常見的物理過(guò)程參數(shù)化方案，并簡(jiǎn)述其模擬的核心物理過(guò)程。解析思路：AGCM需要將復(fù)雜的實(shí)際物理過(guò)程簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，這些簡(jiǎn)化的公式稱為參數(shù)化方案。需要列舉三種不同類型的典型參數(shù)化。例如：輻射傳輸參數(shù)化（模擬太陽(yáng)和地面向大氣的輻射收支）、大氣邊界層參數(shù)化（模擬近地面風(fēng)速、溫度、濕度等隨高度的變化以及地表與大氣間的熱量、水分交換）、云物理參數(shù)化（模擬云的形成、發(fā)展和降水過(guò)程）。3.簡(jiǎn)述海洋環(huán)流模式（OGCM）在模擬海洋環(huán)流時(shí)需要考慮的主要物理過(guò)程。解析思路：OGCM模擬海洋運(yùn)動(dòng)主要受重力、浮力、壓力梯度力、粘性力（包括湍流混合）以及Coriolis力（地轉(zhuǎn)偏向力）的共同作用。需要抓住核心：海水密度（由溫度和鹽度決定）的垂直分布不均產(chǎn)生浮力梯度，驅(qū)動(dòng)海水運(yùn)動(dòng)；水平壓力梯度力是主要的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力；水平粘性力耗散動(dòng)量，導(dǎo)致能量向中尺度渦的轉(zhuǎn)化；Coriolis力使流動(dòng)偏向于地轉(zhuǎn)平衡；風(fēng)應(yīng)力是表層海水運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力；還需要考慮海流與海底的摩擦作用以及海氣之間的熱量和水分交換。4.為什么集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（EPS）被認(rèn)為是提高短期天氣預(yù)報(bào)可靠性的重要技術(shù)？解析思路：大氣系統(tǒng)存在內(nèi)在的混沌特性，初始狀態(tài)微小的擾動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間累積，導(dǎo)致未來(lái)天氣的巨大差異（蝴蝶效應(yīng)）。集合預(yù)報(bào)通過(guò)生成一組初始狀態(tài)略有不同的模式積分軌跡，模擬了這種不確定性。通過(guò)分析這些軌跡的集合成員在未來(lái)時(shí)段的預(yù)報(bào)結(jié)果，可以給出預(yù)報(bào)量（如溫度、降水、風(fēng)速）的概率分布，而不僅僅是單一的確定性預(yù)報(bào)值。這種概率預(yù)報(bào)能夠更好地反映和量化預(yù)報(bào)的不確定性，從而提高預(yù)報(bào)的可靠性和可用性，特別是在強(qiáng)天氣系統(tǒng)或轉(zhuǎn)折性天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)中。四、論述題1.試論述大氣環(huán)流模式（AGCM）在短期氣候預(yù)測(cè)中的應(yīng)用潛力和主要面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：論述題需全面分析。潛力方面：AGCM可以模擬季節(jié)內(nèi)振蕩（如MJO）、ENSO等年際氣候現(xiàn)象的某些特征，為月到季尺度天氣和氣候異常提供預(yù)測(cè)依據(jù)；可以用于評(píng)估特定天氣事件（如干旱、熱浪）的氣候背景和潛在變化趨勢(shì)；為其他氣候模型（如海氣耦合模式）提供大氣部分的基礎(chǔ)。挑戰(zhàn)方面：大氣混沌特性導(dǎo)致預(yù)測(cè)時(shí)效有限（通常難以超過(guò)季節(jié)）；模式對(duì)初始場(chǎng)誤差的敏感性（預(yù)測(cè)技巧隨時(shí)間迅速下降）；陸海氣相互作用過(guò)程復(fù)雜，AGCM本身難以完全準(zhǔn)確模擬；參數(shù)化方案的誤差和不確定性；計(jì)算資源需求巨大。2.詳細(xì)分析大氣環(huán)流模式（AGCM）與海洋環(huán)流模式（OGCM）耦合的必要性和主要優(yōu)勢(shì)。解析思路：論述耦合的必要性需從物理過(guò)程出發(fā)。必要性：大氣和海洋緊密相連，通過(guò)海氣界面進(jìn)行能量、水分、動(dòng)量以及物質(zhì)的交換，這些相互作用對(duì)大氣環(huán)流和海洋環(huán)流都產(chǎn)生深刻影響。例如，海洋的熱容量遠(yuǎn)大于大氣，對(duì)大氣溫度變化有巨大的“緩沖”作用；風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)海洋表面流，進(jìn)而影響大氣環(huán)流；海洋變率（如ENSO）是重要的氣候模態(tài)。僅使用獨(dú)立的AGCM和OGCM無(wú)法模擬這些雙向反饋過(guò)程。優(yōu)勢(shì)方面：耦合模式能夠更真實(shí)地模擬海氣相互作用過(guò)程，提高對(duì)氣候系統(tǒng)整體行為的模擬能力；能夠更準(zhǔn)確地模擬海洋變率（如ENSO）及其對(duì)大氣的強(qiáng)迫；有助于改進(jìn)對(duì)季節(jié)到年際時(shí)間尺度氣候預(yù)測(cè)能力的評(píng)估；為研究氣候變化（如全球變暖對(duì)海氣系統(tǒng)的影響）提供更全面的框架。但也面臨計(jì)算成本更高、模式間相互作用匹配更復(fù)雜等挑戰(zhàn)。3.討論當(dāng)前大氣和海洋環(huán)流模式在模擬極端天氣事件（如臺(tái)風(fēng)、寒潮）時(shí)存在的局限性，并提出可能的改進(jìn)方向。解析思路：先分析局限性，再提出改進(jìn)方向。局限性：尺度分辨率不足：模式網(wǎng)格尺度可能太大，無(wú)法捕捉極端天氣事件發(fā)生和發(fā)展所依賴的小尺度物理過(guò)程（如臺(tái)風(fēng)眼壁結(jié)構(gòu)、寒潮爆發(fā)前的阻塞高壓系統(tǒng)）；參數(shù)化方案偏差：現(xiàn)有的云物理、邊界層、對(duì)流等參數(shù)化方案可能無(wú)法準(zhǔn)確模擬極端事件的核心動(dòng)力學(xué)機(jī)制；初始條件誤差：對(duì)極端事件發(fā)生前的大氣/海洋狀態(tài)描述不夠精確，導(dǎo)致對(duì)事件發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度和路徑的預(yù)報(bào)偏差；模式對(duì)初始擾動(dòng)的不穩(wěn)定性：極端事件本身對(duì)初