2025年大學(xué)《氣象技術(shù)與工程》專業(yè)題庫——原位氣象觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試考試時(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)字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.在設(shè)計(jì)地面氣象觀測(cè)站時(shí)，選擇傳感器安裝高度的主要依據(jù)是（）。A.傳感器成本B.安裝平臺(tái)的可用性C.觀測(cè)要素的代表性高度要求D.維護(hù)人員的安全便利性2.對(duì)于需要快速響應(yīng)的氣象要素（如風(fēng)），傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性是指（）。A.傳感器達(dá)到最終穩(wěn)定讀數(shù)所需的時(shí)間B.傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定在一定誤差范圍內(nèi)的最短時(shí)間間隔C.傳感器測(cè)量值的最大波動(dòng)幅度D.傳感器自啟動(dòng)到開始輸出有效數(shù)據(jù)的時(shí)間3.在進(jìn)行傳感器靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，通常要求輸入量（如溫度、濕度）在短時(shí)間內(nèi)保持（）。A.快速變化B.緩慢變化C.恒定不變D.斷續(xù)變化4.某氣象站需要測(cè)量高空風(fēng)場(chǎng)，若采用系留氣球作為載體，其主要優(yōu)點(diǎn)是（）。A.升空高度高且穩(wěn)定B.數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好C.部署成本相對(duì)較低D.抗惡劣天氣能力強(qiáng)5.使用標(biāo)準(zhǔn)氣象儀器（如標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)）對(duì)未知傳感器進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，屬于（）。A.靜態(tài)標(biāo)定B.動(dòng)態(tài)標(biāo)定C.比較測(cè)量法D.校準(zhǔn)傳遞法6.在設(shè)計(jì)用于強(qiáng)降水觀測(cè)的雨量計(jì)時(shí)，特別需要關(guān)注其（）性能。A.精度B.量程C.抗堵塞能力D.時(shí)間響應(yīng)7.某無線氣象傳感器網(wǎng)絡(luò)采用能量收集技術(shù)為節(jié)點(diǎn)供電，其主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.傳輸距離遠(yuǎn)B.傳感器壽命長(zhǎng)C.數(shù)據(jù)傳輸速率高D.抗電磁干擾能力強(qiáng)8.評(píng)估一個(gè)原位氣象觀測(cè)系統(tǒng)是否滿足觀測(cè)任務(wù)要求，核心在于（）。A.系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定B.系統(tǒng)成本是否低廉C.測(cè)量結(jié)果的不確定度是否在可接受范圍內(nèi)D.系統(tǒng)是否易于維護(hù)9.對(duì)于激光雷達(dá)這類主動(dòng)式遙感儀器，其測(cè)量的核心物理量通常與大氣中的（）粒子或分子有關(guān)。A.熱力學(xué)特性B.動(dòng)力學(xué)特性C.化學(xué)成分D.濃度分布10.在進(jìn)行系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，若發(fā)現(xiàn)傳感器測(cè)量值存在系統(tǒng)性偏差，可能的原因包括（）。A.傳感器老化B.傳感器安裝位置不當(dāng)C.傳感器供電電壓不穩(wěn)D.測(cè)試環(huán)境與標(biāo)定環(huán)境差異大二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述選擇氣象觀測(cè)傳感器時(shí)，需要考慮的主要性能參數(shù)及其含義。2.說明原位氣象觀測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器（DAQ）的主要功能。3.簡(jiǎn)述靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定的主要區(qū)別及適用場(chǎng)景。4.描述影響原位氣象觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的主要誤差來源。5.為何需要對(duì)投入實(shí)際運(yùn)行的氣象觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)？三、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某溫濕度傳感器標(biāo)定結(jié)果如下：在25°C時(shí)，測(cè)量值為24.8°C（誤差±0.2°C），在75%RH時(shí)，測(cè)量值為74.5%RH（誤差±2%RH）。若某次測(cè)量在25°C，74%RH環(huán)境下得到讀數(shù)為25.1°C，74.2%RH，估算該讀數(shù)的綜合不確定度（忽略其他誤差來源）。2.設(shè)計(jì)一個(gè)用于測(cè)量10m/s以下風(fēng)速的超聲波風(fēng)速儀系統(tǒng)。簡(jiǎn)述其基本工作原理，并說明需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)（至少列出三項(xiàng)）。四、綜合應(yīng)用題（共15分）某研究項(xiàng)目需要在山區(qū)峽谷中部署一套用于監(jiān)測(cè)邊界層結(jié)構(gòu)的氣象觀測(cè)系統(tǒng)。該區(qū)域地形復(fù)雜，風(fēng)向風(fēng)速變化快，降水有時(shí)較大。請(qǐng)簡(jiǎn)述在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，在傳感器選型、系統(tǒng)架構(gòu)、安裝部署以及測(cè)試評(píng)估方面需要重點(diǎn)考慮的問題。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.A5.C6.C7.B8.C9.B10.D二、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先列出關(guān)鍵性能參數(shù)，然后逐一解釋其含義。需要考慮的參數(shù)通常包括：測(cè)量范圍（量程）、精度（或誤差）、時(shí)間響應(yīng)（或時(shí)間常數(shù)）、穩(wěn)定性（短期和長(zhǎng)期）、分辨率、功耗、工作溫度范圍、防護(hù)等級(jí)（IP等級(jí)）等。例如，測(cè)量范圍指?jìng)鞲衅髂軠y(cè)量的最小值到最大值；精度指測(cè)量值與真值之間的接近程度，常用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示；時(shí)間響應(yīng)指?jìng)鞲衅鲗?duì)輸入量變化做出響應(yīng)的速度。2.解析思路：數(shù)據(jù)采集器（DAQ）是系統(tǒng)的核心，主要功能是采集來自傳感器的電信號(hào)。具體包括：多通道信號(hào)同步采集、信號(hào)調(diào)理（如放大、濾波、線性化）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、提供通訊接口（與上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)連接）以及執(zhí)行一定的控制邏輯等。3.解析思路：靜態(tài)標(biāo)定是在傳感器輸出穩(wěn)定的情況下進(jìn)行的標(biāo)定，輸入量變化緩慢或恒定，主要目的是確定傳感器在特定穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出與輸入量之間的函數(shù)關(guān)系或查找表，適用于測(cè)量緩慢變化的物理量或確定穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)標(biāo)定是在傳感器輸入量按一定規(guī)律（如階躍信號(hào)、正弦信號(hào)）快速變化時(shí)進(jìn)行的標(biāo)定，目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性（如時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)等），適用于需要快速響應(yīng)的測(cè)量場(chǎng)景。4.解析思路：影響測(cè)量準(zhǔn)確性的誤差來源是多方面的。主要可以歸納為：傳感器自身誤差（原理誤差、制造誤差、標(biāo)定誤差）；系統(tǒng)誤差（如安裝傾斜、環(huán)境梯度影響、零點(diǎn)漂移）；隨機(jī)誤差（如噪聲干擾、環(huán)境微小波動(dòng)）；方法誤差（如采樣方法引入的誤差）；人員誤差（如讀數(shù)、安裝不當(dāng)）。分析時(shí)需從傳感器、系統(tǒng)、環(huán)境、方法等多個(gè)角度考慮。5.解析思路：長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的必要性在于：①系統(tǒng)和傳感器會(huì)隨著時(shí)間運(yùn)行而老化、漂移，性能可能發(fā)生變化；②環(huán)境條件長(zhǎng)期累積效應(yīng)可能影響測(cè)量結(jié)果；③需要驗(yàn)證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或性能下降；④為數(shù)據(jù)質(zhì)量保證（QA/QC）提供依據(jù)，確保持續(xù)獲得高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。三、計(jì)算題1.解析思路：計(jì)算綜合不確定度需要考慮各誤差分量。首先，分別計(jì)算溫度和濕度讀數(shù)相對(duì)于標(biāo)定值的誤差百分比。然后，根據(jù)不確定度傳遞理論（對(duì)于相乘或相除的關(guān)系取相對(duì)不確定度平方和再開方，對(duì)于加減關(guān)系取絕對(duì)不確定度平方和再開方），計(jì)算綜合相對(duì)不確定度。最后，將綜合相對(duì)不確定度乘以測(cè)量讀數(shù)，得到絕對(duì)不確定度。這里假設(shè)溫度和濕度誤差是獨(dú)立的，且讀數(shù)誤差主要由標(biāo)定誤差引起。計(jì)算過程：溫度讀數(shù)相對(duì)誤差=|25.1-24.8|/|25|=0.02濕度讀數(shù)相對(duì)誤差=|74.2-74.5|/|75|=0.002綜合相對(duì)不確定度=sqrt((0.02)^2+(0.002)^2)≈0.02002綜合絕對(duì)不確定度=25.1*0.02002+74.2*0.002≈0.505+0.1484=0.6534(近似取0.65°C,0.15%RH)最終結(jié)果表示為：25.1°C±0.65°C,74.2%RH±0.15%RH2.解析思路：首先說明超聲波風(fēng)速儀的工作原理：利用發(fā)射和接收超聲波脈沖在順風(fēng)和逆風(fēng)方向上的時(shí)間差來測(cè)量風(fēng)速。順風(fēng)時(shí)聲波傳播速度加快，逆風(fēng)時(shí)減慢，通過計(jì)算時(shí)間差可以推算出風(fēng)速。關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括：①測(cè)量范圍（如0-20m/s，需覆蓋設(shè)計(jì)需求10m/s以下）；②測(cè)量精度（如±0.2m/s）；③時(shí)間響應(yīng)頻率（如1Hz，用于捕捉風(fēng)速變化）；④風(fēng)向傳感器集成度（是獨(dú)立還是一體，精度要求）；⑤傳感器防護(hù)等級(jí)（如IP66，適應(yīng)戶外環(huán)境）；⑥工作溫度和濕度范圍；⑦供電電壓和功耗。四、綜合應(yīng)用題解析思路：此題考察綜合應(yīng)用和設(shè)計(jì)思路。需要從項(xiàng)目具體需求（山區(qū)峽谷、邊界層結(jié)構(gòu)、地形復(fù)雜、風(fēng)大、降水）出發(fā)，反向推導(dǎo)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵考慮點(diǎn)。傳感器選型：需選用能承受強(qiáng)風(fēng)和降水沖擊的傳感器（如高防護(hù)等級(jí)、防腐蝕、抗風(fēng)設(shè)計(jì)好的溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向傳感器）；邊界層結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)可能需要多層布設(shè)，考慮不同高度的溫度、濕度、風(fēng)速傳感器；可能還需要降水傳感器（雨量計(jì)）。系統(tǒng)架構(gòu)：考慮到地形復(fù)雜和可能的長(zhǎng)距離傳輸，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）可能是合適的選擇；需要高可靠性的無線通信技術(shù)（如LoRaWAN,NB-IoT）；數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議需考慮功耗和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性；需要能量采集技術(shù)（如太陽能板）為偏遠(yuǎn)地區(qū)傳感器供電；系統(tǒng)應(yīng)具備一定的自診斷和故障報(bào)警功能。安裝部署：安裝高度需根據(jù)邊界層高度要求確定，可能需要塔架或立桿；安裝位置需避開水汽凝結(jié)和鳥巢