2025年大學(xué)《海洋科學(xué)》專業(yè)題庫——海洋環(huán)境模式模擬與分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.下列哪一種模型主要用于模擬海洋上層溫鹽垂直結(jié)構(gòu)變化？（）A.簡單箱式模型B.三維環(huán)流模型C.一維溫鹽躍層模型D.海氣相互作用模型2.在海洋模式中，控制水平動量傳遞的關(guān)鍵參數(shù)化方案是？（）A.生物生長方案B.湍流混合方案C.化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方案D.輻射傳輸方案3.以下哪個物理量通常不直接包含在基礎(chǔ)的二維淺水環(huán)流模式方程組中？（）A.水位B.水平流速C.垂直流速D.水體密度4.將觀測到的海洋環(huán)境變量與模式模擬結(jié)果進行定量比較，最常用的指標是？（）A.相關(guān)系數(shù)B.均方根誤差C.皮爾遜指數(shù)D.累積偏差5.海洋混合層的主要特征是？（）A.溫度垂直梯度很大，鹽度均勻B.溫度均勻，鹽度垂直梯度很大C.溫度鹽度均垂直梯度很大D.溫度鹽度均均勻6.如果一個海洋模式模擬的海表溫度顯著高于實測值，可能的原因之一是？（）A.模式網(wǎng)格分辨率太低B.太陽輻射輸入?yún)?shù)設(shè)置過高C.水平混合系數(shù)設(shè)置過大D.模式使用了過時的生物生長方案7.用于模擬海洋中尺度渦旋等精細結(jié)構(gòu)時，通常需要？（）A.很高的模式分辨率B.簡化的物理參數(shù)化方案C.一維箱式結(jié)構(gòu)D.精確的實測初始場8.海洋碳循環(huán)模式通常將海洋劃分為幾個主要水團或?qū)舆M行模擬？（）A.1個B.2-3個C.4-5個D.6個以上9.模式后處理中，制作海表溫度隨時間變化的曲線圖，屬于哪種分析？（）A.模式驗證B.統(tǒng)計分析C.數(shù)據(jù)可視化D.誤差分析10.下列哪項不是海洋環(huán)境模式耦合的主要挑戰(zhàn)？（）A.不同模式變量單位不統(tǒng)一B.不同子模式時間步長差異C.物理過程與生化過程耦合的復(fù)雜性D.獲取高精度實測數(shù)據(jù)進行驗證二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處）1.海洋環(huán)境模式基于基本的______律（如質(zhì)量、能量、動量守恒）進行構(gòu)建。2.模式邊界條件通常包括______邊界、______邊界和通量邊界。3.衡量模式模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合程度的常用統(tǒng)計指標是______和相關(guān)系數(shù)。4.模擬海洋初級生產(chǎn)力的過程通常需要考慮光照、營養(yǎng)鹽（如氮、磷）以及______等關(guān)鍵因素。5.在進行模式結(jié)果分析時，繪制______可以直觀展示某一變量在空間上的分布特征。6.模式參數(shù)化方案是指對模式中無法直接求解的______過程所采用的理論或經(jīng)驗表達式。7.三維海洋環(huán)流模式能夠模擬______、______等多種海洋現(xiàn)象。8.模式初始化是指為模式提供模擬開始時刻的______場和______場。9.海洋酸化模擬通常需要關(guān)注大氣二氧化碳濃度變化對海水______和______的影響。10.利用模式進行海洋環(huán)境預(yù)報，其預(yù)報時效長短主要取決于模式的______和______。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡潔明了地回答問題）1.簡述箱式海洋模式與三維網(wǎng)格海洋模式的主要區(qū)別。2.解釋什么是模式參數(shù)化，并舉例說明一個海洋模式中需要參數(shù)化的過程。3.列舉至少三種海洋環(huán)境模式常用的后處理分析方法。4.簡述海洋模式驗證的一般步驟。四、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合所學(xué)知識，全面深入地回答問題）1.論述海洋環(huán)境模式在海洋科學(xué)研究中的應(yīng)用價值。2.分析影響海洋模式模擬結(jié)果準確性的主要因素有哪些，并提出相應(yīng)的改進措施。3.以某具體海洋現(xiàn)象（如上升流、溫躍層、有害藻華爆發(fā)等）為例，闡述利用海洋環(huán)境模式進行模擬研究的基本思路和流程。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.B5.A6.B7.A8.C9.C10.D二、填空題1.守恒2.開放（或“海陸”），岸界（或“固壁”）3.均方根誤差4.水文（或“營養(yǎng)鹽再生”）5.等值線圖（或“剖面圖”、“散點圖”）6.物理過程（或“生化過程”、“湍流混合”等具體過程）7.洋流，鋒面（或“溫躍層”、“密度躍層”）8.海洋（或“環(huán)境”），海氣（或“陸面”）9.pH，碳酸鹽堿度（或“碳酸系統(tǒng)”）（答對其中一項即可）10.模式分辨率，模式物理/生化過程參數(shù)化方案（答對其中一項即可）三、簡答題1.答：箱式模式將整個海洋或其一部分視為一個大的、混合良好的“箱子”，只考慮局地的、整體性的平均變化，空間分辨率低，通常為一維或二維（水平均勻），計算簡單快速，但無法模擬空間梯度和中小尺度現(xiàn)象；三維網(wǎng)格模式將海洋劃分為有限數(shù)量的網(wǎng)格單元，能夠模擬海洋變量的空間分布和變化，分辨率高，可以捕捉中小尺度現(xiàn)象，但計算復(fù)雜，對計算資源要求高。2.答：模式參數(shù)化是指用數(shù)學(xué)表達式來近似描述模式中無法直接進行網(wǎng)格尺度求解的物理、化學(xué)或生物過程。例如，湍流混合系數(shù)的參數(shù)化，就是用一些經(jīng)驗公式或基于理論半經(jīng)驗公式來估算由于分子擴散和湍流引起的動量、熱量或物質(zhì)的垂直交換通量。又如，海洋生物生長速率通常需要根據(jù)光照、營養(yǎng)鹽濃度等環(huán)境因子，通過特定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述。3.答：海洋環(huán)境模式常用的后處理分析方法包括：①數(shù)據(jù)可視化（繪制等值線圖、剖面圖、散點圖、時間序列圖等，直觀展示變量分布和變化）；②統(tǒng)計分析（計算平均值、標準差、相關(guān)系數(shù)、回歸分析等，揭示變量間關(guān)系和變化規(guī)律）；③特征量計算（計算混合層深度、溫躍層深度、上升流強度、環(huán)量等特定海洋學(xué)參數(shù)）；④模式驗證（將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，計算RMSE、NRMSE等指標，評估模式性能）；⑤誤差分析（分析模式模擬誤差的來源和分布）。4.答：海洋模式驗證的一般步驟包括：①確定驗證目標和區(qū)域；②收集高質(zhì)量的實測數(shù)據(jù)（包括模式輸出數(shù)據(jù)）；③選擇合適的驗證指標（如RMSE、相關(guān)系數(shù)等）；④將模式輸出數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行逐點或逐時段比較；⑤計算驗證指標，量化模擬偏差；⑥分析偏差的時空分布特征，識別模式系統(tǒng)性的或局地性的錯誤；⑦結(jié)合理論和觀測，解釋偏差產(chǎn)生的原因，評估模式改進的方向和潛力。四、論述題1.答：海洋環(huán)境模式是研究海洋現(xiàn)象的重要工具，其應(yīng)用價值體現(xiàn)在多個方面：首先，模式可以模擬海洋動力、水文、化學(xué)、生物過程及其相互作用，幫助我們理解復(fù)雜的海洋系統(tǒng)運作機制；其次，模式能夠進行海洋環(huán)境要素的長期預(yù)測和短期預(yù)報，如海表溫度、海流、潮汐、浪涌、有害藻華、赤潮、污染物擴散路徑與濃度等，為海洋漁業(yè)、交通運輸、海上作業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)提供決策支持；再次，模式是研究全球氣候變化對海洋影響的重要手段，可用于模擬海平面上升、海洋酸化、海溫變化、海洋層結(jié)變化等趨勢和情景；此外，模式可用于模擬極端海洋事件，評估其影響；最后，模式可以作為理論平臺，用于測試和發(fā)展新的海洋科學(xué)理論和參數(shù)化方案。總之，海洋環(huán)境模式在深化海洋認知、服務(wù)海洋經(jīng)濟、應(yīng)對氣候變化等方面發(fā)揮著不可替代的作用。2.答：影響海洋模式模擬結(jié)果準確性的因素眾多，主要包括：①模式本身的結(jié)構(gòu)和分辨率：模式的物理、化學(xué)、生物過程參數(shù)化方案是否合理、是否抓住了關(guān)鍵過程，網(wǎng)格分辨率是否足夠精細以分辨研究現(xiàn)象的尺度；②初始場和邊界條件的質(zhì)量：初始場的不確定性會導(dǎo)致模擬結(jié)果的“蝴蝶效應(yīng)”，邊界條件設(shè)置是否準確直接影響模式域內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)；③參數(shù)化方案的誤差：參數(shù)化方案是對復(fù)雜自然過程的簡化近似，本身存在固有誤差；④數(shù)據(jù)輸入的誤差：如地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、實測觀測數(shù)據(jù)本身存在誤差或不完整；⑤計算資源限制：計算時間、內(nèi)存容量等可能限制模式的分辨率、時間步長或復(fù)雜度，引入數(shù)值誤差；⑥模型與現(xiàn)實的差異：模式無法完全模擬所有真實世界的復(fù)雜過程和反饋機制。改進措施包括：提高模式分辨率和網(wǎng)格嵌套，優(yōu)化或改進參數(shù)化方案，使用更精確的初始場和邊界條件數(shù)據(jù)，開展多模式對比研究以評估不確定性，利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)融合觀測數(shù)據(jù)，增加計算資源投入，加強模式驗證和診斷分析等。3.答：以模擬上升流為例，利用海洋環(huán)境模式進行模擬研究的基本思路和流程如下：思路：上升流是因風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動表層海水向岸偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致表層輻合，引發(fā)密度增加的海水下沉，同時深層冷、鹽、營養(yǎng)鹽豐富的海水上涌補充，形成垂直環(huán)流現(xiàn)象。模擬的關(guān)鍵在于正確設(shè)置模式域、地形、風(fēng)應(yīng)力、熱通量等強迫條件，并包含能夠描述混合和上涌過程的物理參數(shù)化方案。流程：1.模式選擇與準備：選擇適合模擬區(qū)域尺度和水平/垂直分辨率的環(huán)流模式（如ROMS），準備研究區(qū)域的高精度地形數(shù)據(jù)。2.參數(shù)化方案設(shè)定：設(shè)置合適的湍流混合方案（如K-profileparameterization,Mellor-Yamada-Gill等），考慮風(fēng)生應(yīng)力、熱通量、河入海通量等邊界條件。3.初始場設(shè)定：獲取模擬起始時刻的溫、鹽、流場數(shù)據(jù)，若無實測數(shù)據(jù)可使用長期平均或氣候態(tài)場作為初始條件。4.模擬運行：在設(shè)定的計算格式和步長下，運行模式進行長時間積分（可能持續(xù)數(shù)月或更長以發(fā)展出持續(xù)性上升流），記錄輸出數(shù)據(jù)。5.結(jié)果后處理與