2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——大氣科學(xué)計(jì)算方法及數(shù)值模擬技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，為了保證解的物理意義合理，常采用的邊界條件類型是？A.固定邊界條件B.罕見邊界條件C.邊緣邊界條件D.輻射邊界條件2.下列哪一項(xiàng)不屬于大氣環(huán)流模式（GCM）的主要物理過程模塊？A.動(dòng)量守恒方程B.大氣輻射傳輸方程C.地表能量平衡方程D.城市擴(kuò)張模型3.在空氣質(zhì)量模型中，用于估算遠(yuǎn)距離傳輸污染物來源的技術(shù)通常稱為？A.污染物擴(kuò)散模型B.源解析技術(shù)C.輻射傳輸模型D.氣象場(chǎng)訂正技術(shù)4.有限差分法求解偏微分方程時(shí)，為了保證數(shù)值解的穩(wěn)定性，時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)必須滿足一定的關(guān)系，這通常與？A.模型的物理參數(shù)化方案有關(guān)B.計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量有關(guān)C.差分格式的vonNeumann穩(wěn)定性分析有關(guān)D.污染源強(qiáng)的大小有關(guān)5.數(shù)值模擬結(jié)果的不確定性主要來源于哪些方面？（請(qǐng)選擇兩個(gè)正確選項(xiàng)）A.模型本身的簡(jiǎn)化假設(shè)B.輸入初始和邊界數(shù)據(jù)的誤差C.計(jì)算方法引入的離散化誤差D.學(xué)生對(duì)模型參數(shù)不熟悉6.區(qū)域氣候模式（RCM）相對(duì)于全球氣候模式（GCM）的主要優(yōu)勢(shì)在于？A.模擬時(shí)間尺度更長(zhǎng)B.模擬空間分辨率更高C.對(duì)氣候變化長(zhǎng)期趨勢(shì)的預(yù)測(cè)能力更強(qiáng)D.對(duì)全球環(huán)流系統(tǒng)的模擬能力更精確7.在進(jìn)行空氣質(zhì)量模擬時(shí)，通常需要使用氣象數(shù)據(jù)作為模型的輸入，這些氣象數(shù)據(jù)不包括？A.風(fēng)速和風(fēng)向B.氣溫和水汽含量C.地面氣壓和海平面氣壓D.地面植被覆蓋類型8.數(shù)據(jù)同化的主要目的是什么？A.提高模型的計(jì)算效率B.減少模型模擬過程中的計(jì)算量C.結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)改進(jìn)模型狀態(tài)和分析結(jié)果D.增強(qiáng)模型的物理過程參數(shù)化精度9.對(duì)于城市環(huán)境空氣污染問題，選擇空氣質(zhì)量模型時(shí)通常更注重模型的哪一項(xiàng)能力？A.模擬長(zhǎng)距離輸送能力B.模擬近地面精細(xì)尺度污染物擴(kuò)散能力C.模擬全球氣候變化的能力D.模擬平流輸送能力10.譜方法在數(shù)值模擬中主要優(yōu)勢(shì)在于？A.易于處理復(fù)雜邊界條件B.計(jì)算效率通常高于有限差分法C.在垂直方向上的離散化精度較高D.適用于所有類型的偏微分方程二、填空題（請(qǐng)將答案填寫在橫線上。每空2分，共20分）1.數(shù)值模擬的穩(wěn)定性是指__________隨著時(shí)間推移不會(huì)無限增長(zhǎng)或發(fā)散。2.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中常用的“嵌套網(wǎng)格”技術(shù)是為了提高_(dá)_________的分辨率。3.空氣質(zhì)量模型輸出的污染物濃度通常需要通過__________進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能得到對(duì)人體健康或生態(tài)環(huán)境的實(shí)際影響評(píng)估。4.大氣模式中的“輻射參數(shù)化方案”是用來模擬大氣對(duì)__________和__________的吸收、散射和發(fā)射過程的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)表達(dá)式。5.評(píng)估數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的一個(gè)重要方法是將其模擬輸出與__________數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證。6.有限體積法的一個(gè)基本特點(diǎn)是保證每個(gè)網(wǎng)格控制體積上的物理量（如動(dòng)量、能量）守恒。7.在進(jìn)行氣候變化對(duì)空氣質(zhì)量影響的模擬評(píng)估時(shí)，通常需要使用__________模式作為基礎(chǔ)來計(jì)算氣候變化情景下的氣象場(chǎng)。8.數(shù)據(jù)同化中常用的“最優(yōu)插值”方法（如卡爾曼濾波）要求模型狀態(tài)變量和觀測(cè)值之間滿足__________關(guān)系。9.模型不確定性包括模型結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性和__________不確定性。10.利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行環(huán)境規(guī)劃與管理決策時(shí)，需要關(guān)注模擬結(jié)果的不確定性和對(duì)決策的__________。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問題。每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述有限差分法推導(dǎo)過程中，時(shí)間導(dǎo)數(shù)和空間導(dǎo)數(shù)分別用哪些差分格式近似表示？2.解釋什么是大氣模式中的“參數(shù)化”？為什么需要進(jìn)行參數(shù)化？3.簡(jiǎn)述空氣質(zhì)量模型在評(píng)估交通污染對(duì)城市空氣質(zhì)量影響時(shí)，通常需要考慮哪些關(guān)鍵因素和物理過程？4.列舉至少三種大氣科學(xué)領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬軟件或平臺(tái)名稱。5.簡(jiǎn)述模型“不確定性”的來源有哪些主要方面？四、計(jì)算題（請(qǐng)寫出計(jì)算步驟和關(guān)鍵公式。不要求得出最終數(shù)值結(jié)果。每題10分，共20分）1.已知一維無源熱傳導(dǎo)方程?T/?t=α?2T/?x2，其中α為熱擴(kuò)散率。使用中心差分格式對(duì)其進(jìn)行離散，得到T???1=α(Δt/Δx2)(T????-2T??+T????)，其中下標(biāo)i表示空間位置，上標(biāo)n表示時(shí)間步。請(qǐng)推導(dǎo)該差分格式的穩(wěn)定性條件（即要求T???1的振幅隨時(shí)間不增長(zhǎng)）。2.假設(shè)在一個(gè)簡(jiǎn)單的箱式模型中，大氣容量為V，污染物的排放速率為Q，清除速率為kC，其中C為污染物濃度。請(qǐng)推導(dǎo)該箱式模型描述的污染物濃度隨時(shí)間變化的微分方程，并說明該模型適用于何種空間尺度。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問題。每題15分，共30分）1.論述數(shù)值模擬技術(shù)在制定城市光化學(xué)煙霧污染控制策略中的作用及其局限性。2.結(jié)合具體環(huán)境問題（如酸雨、臭氧層depletion），論述大氣科學(xué)數(shù)值模擬在評(píng)估氣候變化影響方面的應(yīng)用價(jià)值。---試卷答案一、選擇題1.D2.D3.B4.C5.A,B6.B7.D8.C9.B10.C二、填空題1.數(shù)值解2.模擬區(qū)域邊界3.健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型或環(huán)境濃度標(biāo)準(zhǔn)4.太陽輻射地球輻射5.實(shí)際觀測(cè)6.體積7.全球大氣或氣候模式（GCM）8.聯(lián)合（或統(tǒng)計(jì)）9.輸入數(shù)據(jù)10.敏感性三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：考察對(duì)基本數(shù)值格式的掌握。時(shí)間導(dǎo)數(shù)用向前差分、向后差分或中心差分近似（此處題目暗示中心差分）?？臻g導(dǎo)數(shù)在內(nèi)部點(diǎn)用中心差分近似，在邊界點(diǎn)需用向前或向后差分近似。根據(jù)題目要求的格式，應(yīng)答出中心差分格式：?T/?t≈(T???1-T??)/Δt和?2T/?x2≈(T????-2T??+T????)/(Δx2)?；卮穑簳r(shí)間導(dǎo)數(shù)?T/?t可用(T???1-T??)/Δt或(T??-T???1)/Δt近似表示?？臻g二階導(dǎo)數(shù)?2T/?x2可用中心差分格式(T????-2T??+T????)/(Δx2)近似表示。2.解析思路：考察對(duì)參數(shù)化概念的理解。首先解釋什么是參數(shù)化：將無法直接求解的宏觀物理過程（如云的生成、輻射傳輸細(xì)節(jié)、湍流混合等）用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式或統(tǒng)計(jì)關(guān)系來表示。然后解釋為什么需要：因?yàn)榇髿庀到y(tǒng)極其復(fù)雜，包含無數(shù)微小的分子和動(dòng)量交換，無法建立精確描述所有細(xì)節(jié)的控制方程組，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化?；卮穑簠?shù)化是將模式無法直接積分的宏觀物理過程（如輻射、云和降水、邊界層湍流等）用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式或統(tǒng)計(jì)關(guān)系來描述的方法。需要參數(shù)化的原因是大氣系統(tǒng)過于復(fù)雜，無法精確求解所有微觀物理過程和湍流動(dòng)量交換。3.解析思路：考察空氣質(zhì)量模型應(yīng)用的知識(shí)。需要考慮：排放源（交通排放特征、位置、強(qiáng)度）、氣象條件（風(fēng)場(chǎng)、溫度、濕度、邊界層高度影響擴(kuò)散）、化學(xué)轉(zhuǎn)化（NOx、VOCs等前體物在陽光作用下生成臭氧等二次污染物）、地形影響（城市峽谷效應(yīng)）、污染傳輸（區(qū)域傳輸和本地累積）?；卮穑盒枰紤]交通排放源（如車輛類型、流量、排放因子）、氣象條件（風(fēng)速風(fēng)向、溫度層結(jié)、濕度、太陽輻射、邊界層高度）、化學(xué)轉(zhuǎn)化過程（NOx和VOCs的光化學(xué)反應(yīng)）、城市地形影響以及污染物的區(qū)域傳輸和本地累積效應(yīng)。4.解析思路：考察對(duì)常用模擬工具的了解。列舉出知名的大氣科學(xué)模擬軟件或平臺(tái)即可?；卮穑撼Ｒ姷能浖蚱脚_(tái)包括：WRF（WeatherResearchandForecastingModel）、MM5（MesoscaleModel5）、CAM（CommunityAtmosphereModel）、CCM（CommunityClimateModel）、GEOS（GoddardEarthObservingSystem）、NCARCommunityClimateSystemModel(CCSM)、OpenMC(用于輻射傳輸?shù)?。5.解析思路：考察對(duì)模型不確定性來源的認(rèn)識(shí)。主要來源可分為三類：模型本身的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、模型參數(shù)設(shè)定的不準(zhǔn)確、以及輸入給模型的數(shù)據(jù)（觀測(cè)數(shù)據(jù)或初始條件）的誤差?；卮穑耗Ｐ筒淮_定性主要來源于：模型結(jié)構(gòu)的不確定性（簡(jiǎn)化假設(shè)）、模型參數(shù)的不確定性（率常數(shù)、尺度因子等設(shè)定值）以及輸入數(shù)據(jù)的不確定性（觀測(cè)誤差、初始/邊界條件誤差）。四、計(jì)算題1.解析思路：考察對(duì)差分格式穩(wěn)定性推導(dǎo)的理解。根據(jù)題目給出的差分格式T???1=α(Δt/Δx2)(T????-2T??+T????)，需要將其與原方程?T/?t=α?2T/?x2進(jìn)行比較。假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的振幅按指數(shù)規(guī)律衰減的解形式T??=Re[ξ?e^(ikΔx)]，代入差分格式并取實(shí)部，得到ξ??1=α(Δt/Δx2)(ξ??-2+ξ?)。為保證穩(wěn)定性，要求|ξ|≤1。通過分析該方程的根，可以得到穩(wěn)定性條件為|α(Δt/Δx2)|≤1，或者寫成|r|=|α(Δt/Δx2)|≤1，其中r=ξ??1/ξ?是比值。這通常表述為Δt≤(Δx2/α)?；卮穑簩⒉罘指袷絋???1=α(Δt/Δx2)(T????-2T??+T????)與原方程?T/?t=α?2T/?x2比較。假設(shè)解的形式為T??=Re[ξ?e^(ikΔx)]，代入差分格式：Re[ξ??1e^(ikΔx)]=α(Δt/Δx2)[Re[ξ?e^(ik(Δx+Δx))]-2Re[ξ?e^(ikΔx)]+Re[ξ?e^(ik(Δx-Δx))]]Re[ξ??1e^(ikΔx)]=α(Δt/Δx2)[ξ?e^(ikΔx)(e^(ikΔx)-2+e^(-ikΔx))]Re[ξ??1e^(ikΔx)]=α(Δt/Δx2)[ξ?e^(ikΔx)(-2+2cos(kΔx))]Re[ξ??1e^(ikΔx)]=α(Δt/Δx2)[ξ?e^(ikΔx)(-2(1-cos(kΔx)))]Re[ξ??1e^(ikΔx)]=α(Δt/Δx2)[ξ?e^(ikΔx)(-4sin2(kΔx/2))]Re[ξ??1e^(ikΔx)]=α(Δt/Δx2)[-4ξ?e^(ikΔx)sin2(kΔx/2)]比較實(shí)部，得到ξ??1=-4α(Δt/Δx2)sin2(kΔx/2)ξ?。要求|ξ??1|≤|ξ?|，即|-4α(Δt/Δx2)sin2(kΔx/2)|≤1。因?yàn)閟in2(kΔx/2)≤1，最壞情況是sin2(kΔx/2)=1，此時(shí)需要：|-4α(Δt/Δx2)|≤14α(Δt/Δx2)≤1α(Δt/Δx2)≤1/4或者寫成Δt≤(Δx2/4α)。另一種常見的表述是引入無量綱參數(shù)r=Δt/(Δx2/α)，則要求|r|≤1/4。對(duì)于更一般的格式，穩(wěn)定條件常表述為|r|≤1。2.解析思路：考察對(duì)箱式模型原理的掌握。箱式模型假設(shè)整個(gè)研究區(qū)域（箱子）內(nèi)污染物濃度均勻一致。根據(jù)質(zhì)量守恒，進(jìn)入箱子的質(zhì)量流量-離開箱子的質(zhì)量流量=箱子內(nèi)質(zhì)量的變化率。污染物進(jìn)入主要通過排放源，離開主要通過清除過程（化學(xué)反應(yīng)、干濕沉降等）。排放源可以表示為Q，清除過程可以表示為kC（k為清除速率常數(shù)，C為濃度）。箱子內(nèi)質(zhì)量變化率為V(dC/dt)，其中V是箱子體積（代表研究區(qū)域）。將這些關(guān)系代入質(zhì)量守恒方程即可推導(dǎo)出結(jié)果?；卮穑合涫侥Ｐ图僭O(shè)研究區(qū)域內(nèi)污染物濃度均勻。根據(jù)質(zhì)量守恒：輸入速率-輸出速率=總量變化率。污染物輸入速率Q。污染物輸出速率（清除）=清除速率k×濃度C=kC。研究區(qū)域（箱子）內(nèi)總量=濃度C×體積V=VC?？偭孔兓?V(dC/dt)。代入質(zhì)量守恒方程：Q-kC=V(dC/dt)整理得到描述污染物濃度隨時(shí)間變化的微分方程：V(dC/dt)+kC=Q五、論述題1.解析思路：考察對(duì)數(shù)值模擬在污染控制決策中作用和局限性的綜合理解。作用方面：模擬可以預(yù)測(cè)不同控制策略（如限制車輛排放、增加道路兩側(cè)綠化、改進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)工藝）下的污染物濃度變化，評(píng)估策略效果，優(yōu)化控制方案，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。局限性方面：模型精度受限于參數(shù)化方案、輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量；模型是簡(jiǎn)化系統(tǒng)，無法完全代表復(fù)雜的城市環(huán)境；可能忽略某些局部因素；結(jié)果解釋需要謹(jǐn)慎，考慮不確定性?；卮穑簲?shù)值模擬在制定城市光化學(xué)煙霧污染控制策略中扮演著重要角色。其作用主要體現(xiàn)在：首先，模擬可以預(yù)測(cè)當(dāng)前污染水平及未來趨勢(shì)，識(shí)別主要污染源和影響區(qū)域；其次，可以針對(duì)不同的控制措施（如限制車輛使用、推廣清潔能源、增加綠化覆蓋率、改進(jìn)工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)等）進(jìn)行情景模擬，評(píng)估各種策略對(duì)降低污染物濃度（如O3、NO2、PM2.5）和改善空氣質(zhì)量的效果；再次，通過比較不同策略的成本效益和減排效果，可以輔助決策者選擇最優(yōu)或組合的控制方案。然而，數(shù)值模擬技術(shù)也存在局限性。模型的結(jié)果精度高度依賴于模型本身的準(zhǔn)確性，包括物理過程的參數(shù)化方案是否合理、參數(shù)取值是否恰當(dāng)?shù)?。輸入?shù)據(jù)（如氣象場(chǎng)、排放清單）的誤差也會(huì)直接影響模擬結(jié)果。城市環(huán)境極其復(fù)雜，涉及地形、建筑物、人為活動(dòng)等多種因素，任何模型都是對(duì)現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)化，難以完全捕捉所有細(xì)節(jié)。此外，模擬結(jié)果的不確定性也需要充分考慮，有時(shí)模型預(yù)測(cè)的偏差可能很大。因此，模擬結(jié)果應(yīng)與其他評(píng)估方法（如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）結(jié)合使用，并謹(jǐn)慎解釋其應(yīng)用價(jià)值，避免過度依賴或誤用模擬結(jié)果。2.解析思路：考察對(duì)數(shù)值模擬評(píng)估氣候變化影響的應(yīng)用價(jià)值的理解。需要結(jié)合具體環(huán)境問題（如酸雨、臭氧層損耗與氣候變化的關(guān)系），論述模擬如何幫助理解機(jī)制、量化影響、預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)、支持適應(yīng)和減緩