2025年大學(xué)《氣象技術(shù)與工程》專業(yè)題庫——氣候事件的物理模擬研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題5分，共20分）1.氣候模擬能力（CMAME）2.參數(shù)化方案3.海氣耦合模式4.氣候態(tài)二、簡答題（每小題8分，共32分）1.簡述數(shù)值模式在氣候事件模擬研究中的基本作用。2.比較全球氣候模型（GCM）和區(qū)域氣候模型（RCM）在氣候事件模擬應(yīng)用中的主要區(qū)別。3.描述大氣環(huán)流對典型氣候事件（如厄爾尼諾現(xiàn)象）發(fā)展的重要影響機制。4.列舉至少三種影響氣候事件模擬結(jié)果不確定性的主要來源。三、論述題（每小題12分，共24分）1.論述進(jìn)行氣候事件敏感性試驗的意義，并說明至少兩種常用的敏感性試驗設(shè)計方法及其目的。2.以某一特定氣候事件（如強季風(fēng)爆發(fā)或持續(xù)性干旱）為例，闡述從模式選擇、初始場和邊界條件設(shè)定到模擬結(jié)果診斷分析的全過程應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。四、案例分析題（16分）假設(shè)某研究團(tuán)隊利用一個區(qū)域氣候模型（RCM）模擬了某地區(qū)過去十年夏季極端降水事件的演變特征，模擬結(jié)果顯示出與觀測較為一致的時間變化趨勢，但在空間分布上存在系統(tǒng)性偏差（例如，模擬的強降水中心位置偏北）。請分析可能導(dǎo)致該模擬結(jié)果出現(xiàn)上述偏差的物理機制或模式因素，并討論可以采取哪些改進(jìn)措施來提高模擬的準(zhǔn)確性。試卷答案一、名詞解釋1.氣候模擬能力（CMAME）：指數(shù)值模式在模擬過去或現(xiàn)在氣候狀態(tài)時，其輸出結(jié)果與觀測值符合的程度。通常使用評分指數(shù)（如CRPS）或相關(guān)系數(shù)來量化，是評價模式可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。**解析思路*：考察對模式評估基本概念的理解。答案需包含模式輸出與觀測的對比以及衡量指標(biāo)的概念。解析重點是理解CMAME是衡量模式“真實性”的度量。2.參數(shù)化方案：指數(shù)值模式中對于那些因尺度過小而無法直接求解的物理過程（如云、降水、輻射傳輸、邊界層流動、陸面蒸散發(fā)等），根據(jù)物理原理或統(tǒng)計關(guān)系，用簡化的數(shù)學(xué)方程或查找表來近似描述其宏觀效應(yīng)的數(shù)學(xué)方法。**解析思路*：考察對模式基本組成部分的理解。答案需說明參數(shù)化是處理小尺度過程的手段，并列舉典型過程。解析重點是強調(diào)參數(shù)化的必要性、近似性和對模式結(jié)果的影響。3.海氣耦合模式：一種能夠同時模擬大氣和海洋系統(tǒng)相互作用的數(shù)值模式。它將大氣模型和海洋模型通過耦合界面（如海表溫度、海表鹽度、感熱通量、潛熱通量、蒸發(fā)和海浪等參數(shù)）連接起來，用于研究海氣相互作用過程及其對氣候系統(tǒng)（特別是氣候變率和氣候事件）的影響。**解析思路*：考察對特定模型類型的認(rèn)識。答案需包含模式能同時模擬大氣和海洋，并說明其核心是相互作用。解析重點是理解耦合的必要性和研究目標(biāo)（如ENSO）。4.氣候態(tài)：指氣候系統(tǒng)在較長時間尺度（如月、季、年或更長）上的平均狀態(tài)或統(tǒng)計特征，例如平均氣溫、平均降水、平均海表溫度等。氣候態(tài)的穩(wěn)定性和變化是氣候研究的重要方面。**解析思路*：考察對氣候?qū)W基本術(shù)語的理解。答案需定義氣候態(tài)為長時間平均狀態(tài)，并說明其重要性。解析重點是區(qū)分氣候態(tài)與瞬時天氣態(tài)的概念。二、簡答題1.數(shù)值模式在氣候事件模擬研究中的基本作用：*模擬氣候事件的可能發(fā)展演變路徑，預(yù)測未來趨勢或極端情景。*闡釋氣候事件形成的物理機制，通過敏感性試驗探究關(guān)鍵驅(qū)動因子。*提供觀測難以直接獲取的信息，如事件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、次級過程等。*評估氣候事件的風(fēng)險和潛在影響，為災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)對提供依據(jù)。*比較不同強迫因素（如溫室氣體排放、火山活動）對氣候事件頻率和強度的影響。**解析思路*：考察對模式應(yīng)用功能的全面理解。答案需涵蓋模擬、解釋、預(yù)測、評估等多個方面。解析重點是強調(diào)模式作為研究工具的多種角色。2.全球氣候模型（GCM）和區(qū)域氣候模型（RCM）在氣候事件模擬應(yīng)用中的主要區(qū)別：*空間尺度與分辨率：GCM覆蓋全球，分辨率較低（幾十到幾百公里）；RCM嵌套在GCM中或獨立運行，覆蓋區(qū)域范圍小，分辨率較高（幾公里到幾十公里）。*模擬內(nèi)容側(cè)重點：GCM更側(cè)重于全球氣候系統(tǒng)整體過程和相互作用，能模擬海氣耦合等全局性現(xiàn)象；RCM能提供區(qū)域細(xì)尺度細(xì)節(jié)，更適用于研究局地氣候特征和區(qū)域氣候事件（如局地強降水、干旱）。*對局地物理過程模擬能力：RCM由于分辨率高，能更好地捕捉和模擬地形、海岸線、下墊面性質(zhì)等對局地環(huán)流和氣候事件的影響；GCM對這類局地過程模擬依賴參數(shù)化方案，效果可能較差。*計算資源需求：RCM因分辨率高，計算量通常比GCM大得多。**解析思路*：考察對不同模型工具特點和適用性的理解。答案需從空間、內(nèi)容、能力、資源等多個維度進(jìn)行比較。解析重點是理解分辨率、范圍與模擬能力的關(guān)聯(lián)。3.描述大氣環(huán)流對典型氣候事件（如厄爾尼諾現(xiàn)象）發(fā)展的重要影響機制：*ENSO中的大氣響應(yīng)：在厄爾尼諾事件中，異常溫暖的海表溫度（SST）向東擴展，導(dǎo)致信風(fēng)減弱甚至反向，改變大氣遙相關(guān)型。例如，印度洋-太平洋上空出現(xiàn)異常的加熱，激發(fā)出遙相關(guān)波列，影響全球大氣環(huán)流。*對流活動變化：海溫異常改變大氣對流活動，如赤道中東太平洋對流增強，進(jìn)而影響大氣的垂直動量通量，對海氣相互作用產(chǎn)生反饋。*赤道波活動：ENSO事件與赤道Kelvin波和Rossby波的活動異常密切相關(guān)，這些波動是連接海溫異常和大氣環(huán)流異常的關(guān)鍵紐帶。*經(jīng)向溫度梯度改變：海氣相互作用改變了赤道太平洋的經(jīng)向溫度梯度，進(jìn)而影響信風(fēng)帶的位置和強度，這是驅(qū)動ENSO發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。**解析思路*：考察對具體氣候事件物理機制的理解。答案需結(jié)合ENSO的具體過程，說明大氣環(huán)流如何響應(yīng)并反饋于海溫異常。解析重點是強調(diào)大氣、海洋的相互作用以及波動、遙相關(guān)的角色。4.列舉至少三種影響氣候事件模擬結(jié)果不確定性的主要來源：*模式本身的不確定性：包括模式物理過程和參數(shù)化方案的簡化或偏差，不同模式對同一物理過程可能采用不同方案或參數(shù)化形式，導(dǎo)致結(jié)果差異。*初始條件的不確定性：數(shù)值模式的積分是從給定的初始狀態(tài)開始的，初始狀態(tài)中即使是很小的誤差，也會隨著時間積分而指數(shù)級增長，導(dǎo)致模擬結(jié)果產(chǎn)生不確定性。*邊界強迫（驅(qū)動）數(shù)據(jù)的不確定性：用于驅(qū)動模式的外部強迫數(shù)據(jù)（如溫室氣體濃度、太陽輻射、土地利用變化、火山爆發(fā)等）本身存在觀測誤差、數(shù)據(jù)缺失或代表性偏差，這些都會傳遞到模擬結(jié)果中。**解析思路*：考察對模擬不確定性主要來源的認(rèn)識。答案需至少包含模式、初始條件和強迫數(shù)據(jù)三個主要方面。解析重點是理解不確定性產(chǎn)生的根本原因。三、論述題1.論述進(jìn)行氣候事件敏感性試驗的意義，并說明至少兩種常用的敏感性試驗設(shè)計方法及其目的。氣候事件敏感性試驗的核心意義在于通過改變模型中的關(guān)鍵輸入或參數(shù)，探究這些變化對氣候事件發(fā)生頻率、強度、時空特征或演變過程的影響程度，從而識別影響氣候事件的關(guān)鍵物理機制和主要驅(qū)動因子。這類試驗對于深化對氣候系統(tǒng)復(fù)雜性的理解、提高氣候預(yù)測能力和改進(jìn)模式至關(guān)重要。常用的敏感性試驗設(shè)計方法及其目的包括：*改變大氣或海洋強迫：例如，在控制實驗（基準(zhǔn)模擬）的基礎(chǔ)上，單獨增加或減少大氣中溫室氣體的濃度（如CO2濃度加倍），或改變海表溫度（如模擬海溫異常）。其目的在于評估溫室效應(yīng)或海溫異常對特定氣候事件（如極端降水頻率、ENSO強度）的直接強迫作用和影響機制。*改變模式參數(shù)化方案：例如，將模式中某個關(guān)鍵物理過程（如云輻射參數(shù)化、邊界層參數(shù)化）的方案替換為另一種不同的方案（替代方案模擬），或在控制實驗中調(diào)整某個參數(shù)的取值（參數(shù)擾動模擬）。其目的在于評估該參數(shù)化方案或參數(shù)本身對模擬氣候事件特征（如云量、降水效率、邊界層高度）的敏感性，檢驗參數(shù)化方案的合理性和改進(jìn)潛力。**解析思路*：論述題要求深入闡述。答案需首先明確敏感性試驗的目的和意義（探究機制、識別驅(qū)動因子）。然后，選擇至少兩種具體方法（改變強迫、改變參數(shù)是核心方法），清晰說明每種方法的操作（做什么改變），并重點闡述其試驗設(shè)計的“目的”（想探究什么問題、驗證什么機制）。需體現(xiàn)邏輯性和對試驗設(shè)計的理解深度。2.以某一特定氣候事件（如強季風(fēng)爆發(fā)或持續(xù)性干旱）為例，闡述從模式選擇、初始場和邊界條件設(shè)定到模擬結(jié)果診斷分析的全過程應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。以強季風(fēng)爆發(fā)為例，進(jìn)行氣候事件模擬的全過程需考慮以下關(guān)鍵問題：*模式選擇：選擇能夠合理模擬季風(fēng)系統(tǒng)（包括海氣相互作用、行星波活動、青藏高原熱力作用等）的GCM或RCM。需考慮模式的分辨率（能否分辨關(guān)鍵區(qū)域和過程）、對季風(fēng)系統(tǒng)的模擬能力（歷史模擬的準(zhǔn)確率）、以及計算資源的可用性。對于區(qū)域性強季風(fēng)，RCM通常更受青睞，因為它能提供更精細(xì)的局地強迫和反饋。*初始場設(shè)定：選擇合適的初始大氣狀態(tài)對模擬強季風(fēng)爆發(fā)至關(guān)重要。通常使用從觀測數(shù)據(jù)（如再分析資料）中分析得到的分析方法（如統(tǒng)計或動力訂正）來生成初始場，以減小初始誤差。特別需要關(guān)注模擬起始時刻前是否已存在可能導(dǎo)致季風(fēng)爆發(fā)的潛在擾動（如海溫異常、高空遙相關(guān)波列）。*邊界條件設(shè)定：海表溫度（SST）是影響季風(fēng)的關(guān)鍵邊界強迫。需要使用高質(zhì)量的SST數(shù)據(jù)作為模式邊界條件。對于陸面過程，下墊面類型（如植被覆蓋、土壤濕度）也會影響局地?zé)崃Y(jié)構(gòu)和邊界層，需要合理設(shè)定。對于長時間模擬，還需考慮土地利用/覆蓋變化、溫室氣體濃度變化等人為強迫的輸入。*模擬方案設(shè)計：確定模擬的時段（覆蓋強季風(fēng)爆發(fā)前后）、積分步長和總積分時間?？赡苄枰M(jìn)行控制實驗（模擬自然強迫和海溫的自然波動）和敏感性試驗（如改變SST、溫室氣體濃度），以區(qū)分不同因素對季風(fēng)爆發(fā)的影響。*模擬結(jié)果診斷分析：使用合適的診斷工具（如相關(guān)系數(shù)、功率譜、經(jīng)驗正交函數(shù)EOF分析、遙相關(guān)型分析等）來識別和分析模擬季風(fēng)環(huán)流、風(fēng)場、降水場、海溫場等的時空特征。將模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，評估模擬的準(zhǔn)確性和模擬能力。分析強季風(fēng)爆發(fā)期間關(guān)鍵物理過程（如海氣溫差、急流位置和強度、對流活動）的演變特征，解釋其形成機制。**解析思路*：論述題要求系統(tǒng)闡述完整流程。答案需覆蓋從模型選擇、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（初值、邊界）、試驗設(shè)計到結(jié)果分析的全鏈條。針對每個環(huán)節(jié)，都要提出“關(guān)鍵問題”或需要重點考慮的因素，并說明其重要性。以強季風(fēng)爆發(fā)為例，能體現(xiàn)對具體事件的關(guān)注和模式應(yīng)用的實際考量。解析重點是體現(xiàn)流程的完整性、各環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性以及對細(xì)節(jié)的關(guān)注。四、案例分析題假設(shè)某研究團(tuán)隊利用一個區(qū)域氣候模型（RCM）模擬了某地區(qū)過去十年夏季極端降水事件的演變特征，模擬結(jié)果顯示出與觀測較為一致的時間變化趨勢，但在空間分布上存在系統(tǒng)性偏差（例如，模擬的強降水中心位置偏北）。請分析可能導(dǎo)致該模擬結(jié)果出現(xiàn)上述偏差的物理機制或模式因素，并討論可以采取哪些改進(jìn)措施來提高模擬的準(zhǔn)確性?？赡軐?dǎo)致模擬偏差的物理機制或模式因素包括：1.模式分辨率不足：RCM的網(wǎng)格分辨率可能不足以精細(xì)分辨導(dǎo)致強降水事件發(fā)生的關(guān)鍵地形（如山脈迎風(fēng)坡）、下墊面（如特定類型的植被或水體）或小尺度對流系統(tǒng)。這會導(dǎo)致模擬的降水生成區(qū)和輸送路徑與實際不符，表現(xiàn)為降水中心位置偏移。2.地形參數(shù)化偏差：RCM對地形效應(yīng)（如山地對氣流抬升、摩擦阻力、局地?zé)崃Ψ答仯┑膮?shù)化方案可能存在簡化或偏差。例如，如果參數(shù)化未能充分體現(xiàn)山脈對氣流的引導(dǎo)和抬升作用，可能導(dǎo)致模擬的氣流爬坡效應(yīng)減弱，從而使降水帶位置偏北。3.陸面過程參數(shù)化偏差：模擬區(qū)域內(nèi)的陸面參數(shù)（如反照率、蒸散發(fā)能力、土壤濕度對降水的反饋）如果設(shè)定不當(dāng)，會影響局地?zé)崃顩r和邊界層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響大氣環(huán)流和水汽輸送，可能導(dǎo)致降水落區(qū)的偏差。4.邊界強迫問題：從GCM提供的邊界條件（如上游區(qū)域的溫度、濕度、風(fēng)場）或觀測數(shù)據(jù)中獲取的邊界強迫本身存在誤差或代表性偏差，可能間接影響模擬區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)流和水汽輸送，導(dǎo)致降水中心位置偏移。5.模式對特定物理過程的模擬能力不足：例如，模式對強對流云組織、積云對流參數(shù)化或邊界層物理過程的模擬如果存在缺陷，可能影響降水強度和空間分布的準(zhǔn)確再現(xiàn)。改進(jìn)措施可以包括：1.提高模式分辨率：使用更高分辨率的RCM，以便能夠更清晰地分辨影響降水落區(qū)的地形、下墊面和中小尺度系統(tǒng)。2.改進(jìn)或替換參數(shù)化方案：仔細(xì)評估并改進(jìn)與地形效應(yīng)、陸面過程、對流參數(shù)化等相關(guān)的參數(shù)化方案，使其更符合物理規(guī)律和觀測事實?？梢試L試使用其他參數(shù)化方案進(jìn)行敏感性試驗。3.優(yōu)化邊界條件：使用更精確、更高分辨率的上游或側(cè)邊界強迫數(shù)據(jù)，或者采用模式降尺度方法生成更符合局地實際的邊界條件。4.進(jìn)行針對性敏感性試驗：設(shè)計專門針對降水空間分布敏感性的試驗，例如，調(diào)整與地形抬升、陸面反饋、對流組織相關(guān)的參數(shù)，觀察其對降水位置的影響，反向推求可能的偏差來源和修正方向。5.結(jié)合觀