2025年大學《氣象技術與工程》專業(yè)題庫——大氣模式與數(shù)值預報研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.大氣模式通過求解描述大氣運動的________方程組和________方程組來模擬大氣狀態(tài)演變。2.數(shù)值天氣預報中，為了解決非線性偏微分方程組，常采用________技巧將連續(xù)時間域映射到離散時間層。3.大氣輻射傳輸過程中，除了吸收和散射外，能量交換的主要方式還包括________和________。4.云物理參數(shù)化方案主要解決模式中________過程的模擬問題，常見的微物理過程包括________、_______和冰水過程。5.模式初始場誤差的傳播和演化過程中，隨著時間積分步長增大，可能出現(xiàn)________現(xiàn)象，導致預報崩潰。6.區(qū)域大氣模式（RAM）通常以________模式作為其邊界條件，以實現(xiàn)與全球模式的數(shù)據銜接。7.集合預報系統(tǒng)通過運行多個不同初始條件或不同參數(shù)化方案的模式來產生一組概率預報，其主要目的是估計________。8.大氣邊界層的主要特征是近地面大氣受下墊面影響顯著，其垂直尺度通常在________米量級。9.陸面過程模式旨在模擬地表與大氣之間的能量、水汽和________的交換過程。10.數(shù)值格式的精度通常與網格距有關，C語言（有限差分）通常比B語言（有限體積）更容易出現(xiàn)數(shù)值________。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.模式參數(shù)化2.數(shù)值穩(wěn)定性3.預報驗證4.水汽輸送5.模式分辨率三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述有限差分法推導過程中，時間步長和空間步長需要滿足的限制條件（CFL條件）及其物理意義。2.比較有限差分法和有限體積法在計算格點通量時的主要區(qū)別。3.列舉大氣模式中需要考慮的幾個主要的物理過程，并簡述其含義。4.簡述數(shù)據同化在數(shù)值預報中的作用。四、論述題（每題10分，共30分）1.試述大氣模式中輻射過程參數(shù)化的主要挑戰(zhàn)和常用方法。2.結合實例，論述模式分辨率對預報結果可能產生的影響。3.分析影響數(shù)值天氣預報準確性的主要因素有哪些？如何從模式的角度去改進預報效果？試卷答案一、填空題1.控制性；狀態(tài)2.時間積分3.輻射；摩擦4.云；凝結/蒸發(fā)；凝華/融化5.非線性增長6.全球大氣7.預報不確定性8.1000-20009.物質10.超級對流二、名詞解釋1.模式參數(shù)化：指將大氣的某些局地性、微觀物理過程（如云的形成、降水、邊界層交換等）用簡化的數(shù)學公式或統(tǒng)計關系來代替在模式網格尺度上無法直接模擬的詳細過程，以便于在模式中實現(xiàn)這些過程效應的一種方法。2.數(shù)值穩(wěn)定性：指在數(shù)值模擬中，當采用特定的數(shù)值格式和計算方案時，初始擾動或計算誤差在隨時間（或空間）推進過程中不會無限制地增長，而是能夠保持在一定范圍內的特性。這是數(shù)值方法可否應用于實際計算的前提條件。3.預報驗證：指將數(shù)值天氣預報系統(tǒng)輸出的結果與同期實況觀測數(shù)據進行比較和評估，以判斷預報準確性的過程。常用統(tǒng)計指標（如TS、RA、MSFE等）來量化預報在特定方面的表現(xiàn)。4.水汽輸送：指大氣環(huán)流系統(tǒng)（如氣旋、急流等）將水汽從一個地區(qū)輸送到另一個地區(qū)的過程。它是形成降水的重要條件，也是連接不同地區(qū)水循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)。5.模式分辨率：指模式網格單元在空間上的尺度大小，通常用水平方向上的格點間距（如公里、經緯度）或垂直方向上的層次厚度來表示。更高的分辨率意味著能更細致地模擬小尺度現(xiàn)象，但計算量也更大。三、簡答題1.解析思路：分析有限差分法將微分方程離散化時，為了保證解的穩(wěn)定性和收斂性，時間步長Δt和空間步長Δx,Δy,Δz（或Δλ,Δφ）之間必須滿足一定的關系。這個關系通常由Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）條件給出，其一般形式為：|cΔt/Δx|+|cΔt/Δy|+|cΔt/Δz|≤1（或類似形式，取決于坐標系和方程）。其中c是波速（或信息傳播速度，與風速、重力波速度等相關）。物理意義在于，在Δt時間內，信息（或擾動）沿每個空間方向傳播的距離不能超過該方向上的空間步長Δx,Δy,Δz，否則數(shù)值解會出現(xiàn)振蕩甚至發(fā)散，即數(shù)值不穩(wěn)定。2.解析思路：從計算格點通量（如水平動量通量）的角度比較兩種方法。有限差分法通常計算的是格點中心值與鄰近格點中心值的差值再平均，可能存在“通量守恒”問題（即計算的通量積分不一定等于動量守恒定律要求的形式）。而有限體積法基于控制體積（格點盒子）的積分守恒性質，通過在控制體積界面（格點邊界）上應用通量守恒關系來計算通量，天然滿足物理上的守恒定律，通常被認為是更優(yōu)的格式。3.解析思路：列舉大氣模式中包含的關鍵物理過程是考察課程覆蓋面的基礎。常見的包括：動力學過程（描述風場、氣壓場變化）、熱力學過程（描述溫度、比濕變化）、水汽過程（包括蒸發(fā)、凝結、降水、平流等）、輻射過程（吸收、散射、反射）、邊界層過程（地表與大氣相互作用）、陸面過程（熱量和水分交換）、化學過程（氣體轉化和輸送，如果涉及化學成分）等。簡述含義即對每個過程的核心作用進行簡要說明。4.解析思路：數(shù)據同化的作用在于結合模式預報能力和觀測信息的“真實性”，產生一個既符合觀測又與模式物理規(guī)則一致的初始場或分析場。具體作用包括：修正模式初始場中的誤差，提高初始場質量，從而改善中短期天氣預報精度；通過連續(xù)的同化，可以逐步校正模式系統(tǒng)偏差；提供更精確的中間狀態(tài)信息，用于研究或數(shù)值實驗。四、論述題1.解析思路：首先說明輻射過程對大氣能量平衡和天氣現(xiàn)象的重要性。挑戰(zhàn)主要在于：①大氣成分復雜，吸收和散射特性隨波長、溫度、氣壓及成分變化；②輻射過程相互耦合、非線性強（如云對輻射的影響復雜）；③模式分辨率有限，難以精確模擬云結構、邊界層光學厚度等細節(jié)。常用方法可從輻射傳輸方程出發(fā)，介紹差分法（如離散坐標法DNS、有限差分法）、蒙特卡洛法、以及基于物理過程的半解析或參數(shù)化方法（如快速集合輻射方案QRF）等，并簡述其原理和適用性。2.解析思路：從空間尺度依賴性入手。模式分辨率越高，能分辨和模擬的天氣系統(tǒng)尺度就越小。例如，高分辨率模式能更好地模擬地形影響下的局地環(huán)流、中小尺度對流系統(tǒng)（如積雨云）、以及精細的云結構。這通常會導致預報的細節(jié)（如降水落區(qū)、強度、災害性天氣的發(fā)生發(fā)展）更加準確。但同時，計算量會急劇增加。另一方面，低分辨率模式只能捕捉大尺度系統(tǒng)，對小尺度現(xiàn)象要么完全忽略，要么通過參數(shù)化粗略模擬，導致這些方面預報不準確。因此，分辨率對預報準確性的影響是復雜的，存在一個最優(yōu)分辨率范圍，過高或過低都可能并非最優(yōu)。3.解析思路：影響因素可分為模型本身、初始場、外強迫和計算條件幾方面。①模型因素：模式物理過程參數(shù)化方案的準確性、模式動力學和熱力學框架的完善程度、模式系統(tǒng)偏差（Bias）等。②初始場因素：初始場本身的誤差（無法完全精確獲得實況）、誤差隨時間的發(fā)展（增長）。③外強迫因素：如降水、輻射、地表熱量