2025年大學《大氣科學》專業(yè)題庫——大氣輻射對氣候的影響研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪項表述最符合斯蒂芬-玻爾茲曼定律？A.物體的輻射能力與其絕對溫度成正比。B.物體的輻射能力與其絕對溫度的平方成正比。C.在相同溫度下，不同物體的輻射能力相同。D.黑體的輻射能力隨波長變化，且在絕對溫度T時，其總輻射功率正比于T的四次方。2.在可見光波段，導致大氣呈現(xiàn)藍色的主要原因是：A.水汽對太陽輻射的選擇性吸收。B.二氧化碳對紅外輻射的強烈吸收。C.大氣中的塵埃對太陽輻射的散射。D.空氣分子（氮氧分子）對太陽輻射的瑞利散射。3.下列哪種氣體的吸收光譜主要位于紅外長波輻射區(qū)域，對地球的溫室效應貢獻最大？A.氮氣（N2）B.氧氣（O2）C.水汽（H2O）D.氬氣（Ar）4.地表接收到的太陽輻射中，波長最短的部分主要來自：A.大氣層頂B.太陽表面C.地球大氣D.地表反射5.當大氣中水汽含量增加時，地球大氣系統(tǒng)的有效輻射將：A.增加B.減少C.不變D.先增加后減少6.反照率指的是：A.大氣對太陽輻射的吸收率B.地表反射太陽輻射的比率C.太陽輻射在大氣中的傳輸速率D.地表吸收太陽輻射的比率7.在晴朗的白天，與海洋相比，陸地表面的凈輻射通常：A.更高B.更低C.相同D.無法確定8.下列哪種情況會導致大氣對地面的逆輻射增強？A.地表溫度降低，大氣水汽含量減少。B.地表溫度升高，大氣水汽含量增加。C.地表溫度降低，大氣水汽含量增加。D.地表溫度升高，大氣水汽含量減少。9.大氣輻射傳輸過程中，如果某個波段的太陽輻射幾乎全部被吸收，那么該波段的大氣透過率將：A.接近1B.接近0C.取決于大氣密度D.取決于散射強度10.下列哪種反饋機制會加劇全球變暖？A.冰雪反照率反饋B.水汽反饋C.云反饋（低云）D.土壤濕度反饋（干燥時）二、填空題（每空1分，共15分）1.太陽輻射的能量主要來源于其內(nèi)部的______反應。2.大氣對太陽輻射的削弱作用包括______、______和______三種基本過程。3.基爾霍夫定律指出，任何物體對某波長的輻射能力與其吸收率之比為一常數(shù)，且等于同溫度下______的輻射能力。4.地表能量平衡方程可以表示為：凈輻射=感熱交換+潛熱交換+地表儲熱變化率。5.大氣層頂接收到的太陽輻射稱為______，其值受太陽活動、日地距離等因素影響。6.云層對地面的______作用和______作用都會影響地表能量平衡。7.溫室氣體能夠吸收地球表面發(fā)射的長波輻射，并向各個方向輻射，其中一部分輻射回到地表，從而產(chǎn)生______效應。8.輻射差額是指一個物體或系統(tǒng)在單位時間內(nèi)接收的太陽輻射與放出的______之差。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述蘭布特定律的內(nèi)容及其適用條件。2.解釋什么是大氣窗口，并說明其在大氣輻射傳輸中的意義。3.簡述大氣對太陽輻射的散射過程，并區(qū)分瑞利散射和米氏散射的主要特征。4.簡述地表感熱交換和潛熱交換的主要影響因素。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)某地表的反射率為0.2，太陽總輻射（到達地表）為600W/m2。計算該地表吸收的太陽輻射和凈輻射。（忽略大氣散射的影響）2.已知某波段的太陽輻射通過厚度為1公里的大氣層后，強度降低了60%。假設(shè)大氣對該波段的吸收符合朗伯定律，計算該大氣層的透過率以及單位厚度的衰減系數(shù)。五、論述題（每題15分，共30分）1.詳細闡述溫室效應的物理過程，并說明人類活動導致溫室效應增強的原因及其對氣候變化可能產(chǎn)生的影響。2.分析大氣輻射過程在氣候系統(tǒng)中的作用，并說明為何理解這些過程對于預測未來氣候變化至關(guān)重要。試卷答案一、選擇題1.B解析：斯蒂芬-玻爾茲曼定律指出，黑體的總輻射功率與其絕對溫度的四次方成正比。2.D解析：空氣分子對波長較短的可見光（尤其是藍紫光）具有強烈的瑞利散射，導致天空呈現(xiàn)藍色。3.C解析：水汽是主要的紅外吸收氣體，在多個紅外吸收帶強烈吸收地球表面發(fā)射的長波輻射，是溫室效應的主要貢獻者。4.B解析：太陽輻射是從太陽表面發(fā)出，隨著傳輸路徑變長，短波成分被大氣吸收得更多。5.A解析：水汽是重要的紅外吸收氣體，水汽含量增加會增強大氣對地球逆輻射的吸收，導致有效輻射增加。6.B解析：反照率定義為地表反射的太陽輻射能與到達地表的總太陽輻射能之比。7.B解析：陸地表面升溫更快，其發(fā)射能力（與溫度四次方成正比）和反射率通常導致其凈輻射低于海洋。8.B解析：地表溫度升高會增強其自身發(fā)射的逆輻射，大氣水汽含量增加也會增強大氣逆輻射，兩者均導致逆輻射增強。9.B解析：根據(jù)朗伯定律，透過率等于e的負冪次方乘以衰減系數(shù)乘以厚度，若吸收率為1（即幾乎全被吸收），則透過率接近0。10.B解析：水汽反饋是正反饋，水汽濃度隨溫度升高而增加，進一步加劇輻射增溫。二、填空題1.核聚變2.散射吸收輻射3.黑體4.大氣逆輻射5.入射太陽輻射6.保溫反射7.溫室8.地球輻射（或長波輻射）三、簡答題1.解析：蘭布特定律指出，對于不透明灰體，其單色輻射出射度（或亮度）與波長無關(guān)，僅隨溫度變化。其數(shù)學表達式為J(λ,T)=σT3(1-e^(-κλ/T))，其中κ為吸收系數(shù)，對于特定氣體和波段為常數(shù)。該定律適用于不透明、各向同性、發(fā)射率隨波長不變（即灰體）的物體，以及熱輻射平衡或準熱平衡狀態(tài)。實際大氣并非理想灰體，且存在選擇性吸收，故此定律僅為近似。2.解析：大氣窗口是指大氣對紅外輻射吸收較弱，允許大部分太陽紅外輻射（約8-14微米和30微米附近）以及部分可見光和近紅外輻射穿透大氣到達地表，同時也允許地表發(fā)射的長波輻射（主要在15微米以上）大部分逸散到外層空間的波段范圍。其意義在于它是地表接收太陽短波輻射和向外釋放長波輻射的主要通道，是地表能量平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3.解析：大氣對太陽輻射的散射是指太陽輻射在與大氣分子、氣溶膠等粒子碰撞時改變傳播方向的過程。瑞利散射由空氣分子等尺寸遠小于波長的粒子引起，其散射強度與波長的四次方成反比（短波散射強），且各向同性。米氏散射由尺寸與波長相當?shù)臍馊苣z粒子引起，其散射強度對波長的依賴性較小，且具有選擇性（對不同波長的光散射強度不同），散射通常具有各向異性。大氣散射是形成天空亮度、日落后天空亮度和彩色天空等現(xiàn)象的原因。4.解析：地表感熱交換（Qh）是指地表與大氣之間通過熱量傳遞（而非輻射）交換的能量，主要受地表溫度、大氣溫度（或近地面氣溫）、地表風速等因素影響。風速越大，湍流交換越強，感熱交換越強；地表溫度高于大氣時，熱量由地表傳向大氣，反之則相反。潛熱交換（Qe）是指水分蒸發(fā)（或凝結(jié)）伴隨的能量交換，主要受地表溫度、大氣濕度（或水汽壓差）、地表植被覆蓋、土壤濕度等因素影響。通常在濕潤地表和高溫高濕條件下潛熱交換較強。四、計算題1.解析：吸收的太陽輻射=到達地表太陽輻射×(1-反射率)=600W/m2×(1-0.2)=600W/m2×0.8=480W/m2凈輻射=吸收的太陽輻射-地表發(fā)射的輻射由于未給出地表溫度，無法直接計算地表發(fā)射輻射。但通常計算凈輻射時會考慮地表發(fā)射，或題目意在考察吸收部分。若按題意僅計算吸收與入射的差值（忽略發(fā)射），則凈輻射=吸收的太陽輻射-到達地表太陽輻射=600-480=120W/m2。更嚴謹?shù)兀瑑糨椛?480W/m2-σT?(需地表溫度)。此處按吸收計算。答案：吸收的太陽輻射為480W/m2。凈輻射計算需地表溫度，若僅求吸收與入射之差，為120W/m2。（修正：計算題答案應提供最終數(shù)值。若題目要求計算凈輻射但未給地表溫度，可能存在歧義。通常計算題會給出所有必要參數(shù)。按標準計算：吸收輻射為480W/m2。）答案：吸收的太陽輻射為480W/m2。凈輻射因未給地表溫度無法直接計算，通常題目會完整。若理解為吸收部分，則為480W/m2。若理解為凈輻射即吸收減反射，則為120W/m2。按標準計算，吸收為480W/m2。2.解析：設(shè)太陽輻射強度為I?，透過率為τ，衰減系數(shù)為κ，大氣層厚度為d。根據(jù)題意，I=I?×τ=I?×(1-0.6)=0.4I?。朗伯定律：I=I?e^(-κd)。將兩者結(jié)合：0.4I?=I?e^(-κd)。兩邊除以I?：0.4=e^(-κd)。取自然對數(shù)：ln(0.4)=-κd。計算衰減系數(shù)：κ=-ln(0.4)/d=ln(2.5)/d≈0.916/d。計算透過率：τ=0.4。答案：大氣層的透過率為0.4。單位厚度的衰減系數(shù)為ln(2.5)/d（約0.916/d）。五、論述題1.解析：溫室效應是指大氣中的某些氣體（溫室氣體，如水汽H?O、二氧化碳CO?、甲烷CH?、氧化亞氮N?O、臭氧O?等）能夠吸收地球表面發(fā)射的長波輻射（紅外輻射），并向各個方向（包括向地表）重新輻射，從而導致地球表面溫度升高的現(xiàn)象。物理過程如下：1.太陽短波輻射（可見光為主）穿過大氣層到達地表，被地表吸收，使地表溫度升高。2.地表因吸收太陽輻射和自身內(nèi)能而溫度升高，達到熱平衡時，會以紅外輻射（長波輻射）的形式向大氣發(fā)射能量。3.大氣中的溫室氣體選擇性地吸收了這些紅外輻射，特別是位于大氣窗口之外的吸收帶。4.被吸收的能量使溫室氣體分子振動加劇，溫度升高。5.這些被激發(fā)的溫室氣體分子隨后向各個方向（包括向空間和向地表）重新輻射紅外能量。6.一部分向地表的逆輻射補充了地表損失的能量，使得地表能夠維持在比沒有大氣時更高的溫度水平。人類活動，特別是工業(yè)革命以來的化石燃料燃燒、土地利用變化（如砍伐森林）、工業(yè)生產(chǎn)等，向大氣中排放了大量的溫室氣體，特別是CO?濃度顯著增加。這導致大氣吸收更多來自地表的長波輻射，向地表發(fā)射的逆輻射增強，從而強化了溫室效應，導致全球平均氣溫上升，引發(fā)氣候變暖及其一系列影響，如海平面上升、極端天氣事件增多、冰川融化等。2.解析：大氣輻射過程是驅(qū)動地球氣候系統(tǒng)能量循環(huán)的核心機制，其作用體現(xiàn)在：1.能量來源與傳輸：大氣輻射是連接太陽輻射輸入和地球能量收支的關(guān)鍵。太陽短波輻射是地球能量的主要來源，通過大氣輻射（散射和吸收）傳遞到地表和大氣各層。大氣再通過自身的輻射（主要是長波輻射）將能量向外太空散失。2.地表能量平衡：大氣通過吸收太陽輻射、反射太陽輻射以及吸收和發(fā)射紅外輻射，深刻影響地表的能量平衡。凈輻射是決定地表溫度和溫度梯度的直接因素。3.大氣熱量垂直與水平輸送：大氣輻射過程（特別是紅外輻射）與大氣環(huán)流（感熱和潛熱輸送）相互耦合。例如，地表與低層大氣的能量交換（感熱和潛熱）最終也體現(xiàn)在大氣輻射收支的變化上。大氣輻射收支的不平衡是驅(qū)動大氣運動（如對流、平流）的重要力量。4.氣候狀態(tài)維持與變化：地球氣候系統(tǒng)處于輻射強迫（包括自然強迫和人為強迫）與反饋機制相互作用下的準平衡狀態(tài)。大氣輻射參數(shù)（如透過率、吸收率、發(fā)射率）及其隨溫度、水汽、云量等狀態(tài)變量的變化，構(gòu)成了各種氣候反饋機制（如水汽反饋、冰雪反照率反饋、云反饋、溫室氣體反饋等）。這些反饋機制放大或減弱初始的輻射強迫，決定了地球氣候系統(tǒng)的敏感性和變率。5.大氣組成與地表環(huán)境相互作用：大氣中的溫室氣體濃度、水汽含量、氣溶膠分布等本身是大氣輻射過程的重要參數(shù)，同時也受到地表溫度、濕度、植被狀況等因素的影響。這種相互作用形成了復雜的地球系統(tǒng)耦合圈層。理解大氣輻射過程對于預測未來氣候變化至關(guān)重要，因為：1.量化氣候強迫：準確評估人類活動（如CO?排放、臭氧消耗）和自然因素（如太陽活動、火山噴發(fā)）對大氣輻射平衡的改變（即氣候強迫），是氣候模型預測氣候變化的基礎(chǔ)。2.評估反饋機制：理解各種氣候反饋機制（特別是正反饋和負反饋）的強度和時空分布，對于把握氣候系統(tǒng)對強迫的響應幅度和速率至關(guān)重要。錯誤的反饋參數(shù)會導致氣