2025年大學《大氣科學》專業(yè)題庫——大氣科學實驗研究方法與技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.大氣邊界層2.系統(tǒng)誤差3.測量不確定度4.激光雷達5.PBL觀測二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述大氣科學實驗中控制誤差的主要方法。2.比較溫帶氣旋和熱帶氣旋在結構上的主要區(qū)別，并簡述如何通過衛(wèi)星云圖識別其類型。3.簡述使用超聲波風速儀測量三維風場的基本原理。4.描述大氣成分分析中，氣相色譜法（GC）和質譜法（MS）各自的主要特點和應用場景。5.簡述大氣邊界層物理實驗中，選擇合適實驗場地需要考慮的關鍵因素。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述radiosonde（探空）觀測在理解大氣垂直結構中的重要作用及其面臨的挑戰(zhàn)。2.結合具體實例，論述大氣科學實驗數(shù)據(jù)質量控制的主要步驟和意義。3.探討無人機遙感技術在現(xiàn)代大氣科學實驗研究中的應用潛力和面臨的限制。四、計算與分析題（共30分）1.某實驗測量得到一組氣溫數(shù)據(jù)（單位：℃）：[15.2,15.5,15.3,15.6,15.4]。假設測量過程中只存在隨機誤差，且服從正態(tài)分布。請估算該組數(shù)據(jù)的算術平均值、標準偏差，并給出算術平均值的標準誤差。（15分）2.假設某激光雷達系統(tǒng)用于測量大氣氣溶膠后向散射系數(shù)，其校準證書標明測量精度為±0.02sr（斯式藩）。在一次連續(xù)測量中，獲得后向散射系數(shù)的平均值為0.15sr。請評估該次測量結果的可靠性，并說明在數(shù)據(jù)處理時如何體現(xiàn)這一精度。（15分）試卷答案一、名詞解釋1.大氣邊界層：指地球表面（如陸地、海洋、冰面等）與大氣低層之間進行物質、能量交換的薄層空氣。其高度通常在0.1至2公里之間，隨時間（日變化、季節(jié)變化）和天氣條件變化，其核心特征是近地面風速較小且湍流活動劇烈。2.系統(tǒng)誤差：在重復測量同一量時，保持不變或按確定規(guī)律變化的誤差分量。它是由測量系統(tǒng)（儀器、環(huán)境、方法）的缺陷或未修正的某些影響量引起的，導致測量結果系統(tǒng)性地偏離真值。系統(tǒng)誤差可以通過校準儀器、改進實驗方法等途徑來減小或消除。3.測量不確定度：表征測量結果分散性的一個參數(shù)，定量表示測量結果的可信賴程度。它評定了對測量結果質量的一種懷疑程度，由多個分量（包括隨機效應引起的不確定度和系統(tǒng)效應引起的不確定度分量）合成而來，是評價測量結果完整性的重要指標。4.激光雷達：一種利用激光束與大氣中的粒子（氣溶膠、云滴、分子等）相互作用后返回的散射信號進行大氣探測的遙感技術。通過分析回波信號的強度、頻率（多普勒效應）、時間延遲等信息，可以反演大氣參數(shù)，如粒子濃度、風速、氣溶膠廓線、云層高度和結構等。5.PBL觀測：指針對大氣邊界層（PBL）進行的大氣觀測活動。由于邊界層內氣象要素（溫度、濕度、風速、污染物濃度等）變化劇烈且與地表活動密切相關，對其進行精確觀測對于理解邊界層物理過程、預測空氣質量、研究氣候變化等都至關重要。常用的PBL觀測手段包括氣象塔、系留氣球、飛機、雷達、激光雷達以及地面觀測網絡等。二、簡答題1.簡述大氣科學實驗中控制誤差的主要方法?？刂普`差的方法主要包括：(1)改進測量方法和操作技術：遵循標準化的實驗規(guī)程，減少人為讀數(shù)或操作的誤差，如采用更精確的讀數(shù)設備、提高操作者的熟練度和責任心。(2)選擇和校準儀器：使用高精度的測量儀器，并在使用前進行嚴格的校準，定期檢查儀器的性能漂移，確保儀器處于良好工作狀態(tài)。(3)控制環(huán)境條件：盡量在穩(wěn)定的環(huán)境條件下進行測量，或對環(huán)境因素（如溫度、濕度、氣壓、風等）進行監(jiān)測并記錄，必要時進行修正。(4)改進實驗設計：采用合適的實驗設計原則，如設置對照組、增加重復測量次數(shù)、進行交叉檢驗等，以減少隨機誤差和系統(tǒng)誤差的影響。(5)數(shù)據(jù)處理方法：運用恰當?shù)臄?shù)據(jù)處理技術，如剔除異常值、進行平滑或濾波、采用統(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù)等，以減小隨機波動對結果的影響。(6)人員培訓：確保實驗人員經過充分培訓，理解實驗原理和操作要求，能夠正確執(zhí)行實驗和記錄數(shù)據(jù)。2.比較溫帶氣旋和熱帶氣旋在結構上的主要區(qū)別，并簡述如何通過衛(wèi)星云圖識別其類型。主要區(qū)別：(1)中心氣壓：溫帶氣旋中心為低壓，但相對熱帶氣旋來說，中心氣壓較高，強度較弱；熱帶氣旋中心為極低壓（眼），中心氣壓遠低于環(huán)境氣壓，強度強大。(2)垂直結構：溫帶氣旋通常發(fā)展于中高緯度，有明顯的冷暖氣團交界線（鋒面），結構傾斜，垂直發(fā)展空間相對較?。粺釒庑菬釒瘽窨諝鈴娏覍α魃仙纬傻?，垂直發(fā)展旺盛，結構對稱，云頂高聳。(3)暖心/冷心：溫帶氣旋中心為冷性低壓；熱帶氣旋中心為暖性低壓（眼區(qū)）。(4)云型與風場：溫帶氣旋云系通常呈帶狀分布，伴隨鋒面系統(tǒng)，風場呈氣旋性輻合；熱帶氣旋云系呈圓形或橢圓形渦旋狀，中心為云眼，風場圍繞中心氣旋性輻合，風速從中心向外迅速增大。衛(wèi)星云圖識別：(1)溫帶氣旋：通常在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為連接冷暖氣團的云帶（鋒面），圍繞一個氣旋性環(huán)流中心分布，云系結構相對離散，強度較弱的溫帶氣旋可能云量較少，結構模糊。中心區(qū)域通常沒有明顯的“眼”。(2)熱帶氣旋：在衛(wèi)星云圖上通常呈現(xiàn)大型、對稱、密集的云團，中心有一個明顯的、云量極少或晴空的“眼”；圍繞“眼”是強烈發(fā)展的對流云帶（眼壁），向外云層逐漸稀疏。根據(jù)云團的規(guī)模、組織度和強度（如眼的大小、云頂高度）可判斷其強度等級。3.簡述使用超聲波風速儀測量三維風場的基本原理。超聲波風速儀利用超聲波在空氣中傳播的速度受風的影響而改變的原理進行測量。它通常由四個超聲波傳感器組成，兩對傳感器分別垂直于彼此，安裝在探頭外殼上形成一個三維坐標系（例如，x,y,z軸）。儀器同時向三個相互垂直的傳感器對發(fā)射和接收超聲波信號。聲波在順風方向傳播速度最快，逆風方向最慢，而在垂直于風向的方向傳播速度介于兩者之間。通過精確測量聲波在三個相互垂直方向上的傳播時間（或頻率），可以計算出聲波傳播方向的相對速度。由于聲波傳播方向與實際風速方向之間存在一定的幾何關系（需要考慮聲波發(fā)射角和風速與傳感器的夾角），通過解算這四個相對速度，并利用多普勒效應（如果儀器設計包含發(fā)射頻率和接收頻率之差），就可以精確地計算出空氣相對于傳感器的三維風速分量（U,V,W）。為了得到地面風速，通常需要安裝溫度傳感器，根據(jù)聲速與溫度的關系對測量結果進行修正。4.描述大氣成分分析中，氣相色譜法（GC）和質譜法（MS）各自的主要特點和應用場景。氣相色譜法（GC）：主要特點：基于混合物中各組分在固定相和流動相之間具有不同的分配系數(shù)，通過程序控溫使它們在色譜柱中分離，然后用檢測器依次檢測分離出的各組分。分離效率高，尤其適用于分析沸點差異較大的揮發(fā)性化合物。應用場景：廣泛應用于大氣中揮發(fā)性有機物（VOCs）、空氣污染物（如苯系物、醛酮類、鹵代烴）、溫室氣體前體物等的分離和定量分析。常與檢測器（如氫火焰離子化檢測器FID、電子捕獲檢測器ECD、火焰離子化檢測器FID等）聯(lián)用，組成氣相色譜-質譜聯(lián)用（GC-MS）等二級系統(tǒng)時，可提高復雜樣品的定性和定量能力。質譜法（MS）：主要特點：基于離子在電場或磁場中的運動特性（質量電荷比m/z）進行分離和檢測。具有高靈敏度、高選擇性、軟電離能力（適合分析熱不穩(wěn)定分子）以及豐富的結構信息（通過質譜圖峰位判斷分子離子、碎片離子等）等特點。可以是純粹的質譜儀，也可以作為檢測器與其他分離技術（如GC、液相色譜LC）聯(lián)用。應用場景：作為獨立的分析工具，可用于大氣中某些特定分子（如NOx,SO2,O3,碳氫化合物）的痕量檢測和同位素分析。更常見的是作為聯(lián)用技術的一部分（如GC-MS,LC-MS），在復雜大氣樣品（如PM2.5提取物、氣體混合物）的組分鑒定和定量化方面發(fā)揮著不可替代的作用，能夠提供更全面的成分信息。5.簡述大氣邊界層物理實驗中，選擇合適實驗場地需要考慮的關鍵因素。選擇合適的大氣邊界層物理實驗場地需要綜合考慮以下關鍵因素：(1)代表性與均勻性：場地應能代表所要研究的特定大氣邊界層類型（如城市邊界層、鄉(xiāng)村邊界層、海岸邊界層）或地表類型（如裸地、森林、農田）。場地內部的地形、地表性質應相對均勻，避免大的起伏和復雜地物的干擾。(2)空間尺度與開放性：場地尺度應足夠大，以容納實驗設備并保證測量數(shù)據(jù)主要受邊界層物理過程影響，而非局部地表效應主導。場地應盡可能開闊，減少大型障礙物（如建筑物、高樹）對氣流和輻射的干擾，尤其是在進行風場、溫度場、湍流等觀測時。(3)氣象條件適宜性：場地應能支持研究所需的氣象條件，例如，對于湍流研究，需要選擇風速適中且具有足夠湍流能量的天氣條件；對于污染物擴散研究，需要考慮風頻、風速風向等。(4)實驗設備安裝便利性與安全性：場地應有足夠的空間和合適的地面條件（如堅實、水平）來安裝各種氣象儀器（氣象塔、傳感器、雷達、無人機起降點等），并保證設備運行和維護的安全。(5)數(shù)據(jù)傳輸與后勤保障：場地應便于數(shù)據(jù)傳輸線路鋪設和電力供應，并具備基本的后勤保障條件（如交通可達性、臨時設施等）。(6.環(huán)境因素：考慮附近是否存在可能對實驗產生干擾的污染源、噪聲源或其他人為活動。三、論述題1.論述radiosonde（探空）觀測在理解大氣垂直結構中的重要作用及其面臨的挑戰(zhàn)。重要作用：(1)提供連續(xù)的垂直剖面信息：探空儀（Radiosonde）是攜帶各種傳感器（溫度、濕度、氣壓、氣壓高度計等）隨氣球（通常是氫氣或氦氣）升空，通過自動記錄并實時發(fā)送數(shù)據(jù)，繪制出大氣垂直溫度、濕度、氣壓、風場等要素的連續(xù)剖面圖（探空圖）。這是獲取大氣自地表至平流層（甚至更高）垂直結構最直接、最可靠的手段。(2)揭示大氣層結穩(wěn)定度：通過分析探空數(shù)據(jù)得到的溫度直減率、濕度直減率等，可以判斷大氣的層結穩(wěn)定度，這對于理解大氣對流活動、云的形成和演變至關重要。(3)提供氣候基準：長期、全球分布的探空序列構成了氣候變化研究的重要氣候基準數(shù)據(jù)集，用于監(jiān)測大氣溫度、濕度的長期變化趨勢。(4)驅動數(shù)值天氣預報模型：探空數(shù)據(jù)是初始化數(shù)值天氣預報（NWP）模型所必需的關鍵初始資料，其精度直接影響預報效果，尤其是在中高層大氣的初始化方面。(5)研究大氣物理過程：探空數(shù)據(jù)可用于研究大氣輻射傳輸、大氣波動、大氣邊界層發(fā)展、大氣化學輸送等眾多大氣物理和化學過程。面臨的挑戰(zhàn)：(1)采樣代表性有限：探空數(shù)據(jù)是在近乎點源釋放的條件下獲取的，其反映的僅是釋放點附近大氣的狀況，對于描述大氣場在空間上的連續(xù)變化和局地性特征（如小尺度天氣系統(tǒng)、邊界層結構）代表性有限。(2)時空分辨率低：探空通常每天進行兩次（世界氣象組織規(guī)定），升空過程中耗時較長（通常1-2小時），因此其時空分辨率遠低于氣象觀測的需求，難以捕捉快速變化的天氣現(xiàn)象。(3)儀器誤差與校準：探空儀器的制造、標定和操作過程中可能存在誤差，這些誤差會傳遞到觀測數(shù)據(jù)中。不同廠家、不同類型的探空儀數(shù)據(jù)一致性可能存在差異。(4)對特殊層次的探測能力：對于某些薄層或小尺度特征（如淺層結冰層、逆溫層），探空儀可能無法有效探測或探測精度不高。(5)成本與全球覆蓋均勻性：探空觀測成本較高，雖然全球有數(shù)十個探空站，但與地面觀測站相比，其空間覆蓋密度仍然較低，在海洋、極地等地區(qū)覆蓋不足。2.論述大氣科學實驗數(shù)據(jù)質量控制的主要步驟和意義。主要步驟：(1)完整性檢查：首先檢查數(shù)據(jù)集是否包含所有必要的變量和觀測時段，是否存在缺失值、異常的缺失模式或數(shù)據(jù)長度不匹配等問題。根據(jù)具體情況決定如何處理缺失數(shù)據(jù)（如插值、刪除）。(2)一致性檢查：檢查數(shù)據(jù)在時間和空間上的一致性。例如，同一地點不同傳感器的數(shù)據(jù)是否存在矛盾？風速和風向數(shù)據(jù)是否滿足物理約束（如風速為零時風向無意義，風速和風向的幾何關系是否合理）？時間序列上是否存在突跳或不可持續(xù)的劇烈變化？(3)有效性檢查：利用儀器量程、物理可能性、統(tǒng)計特性等對數(shù)據(jù)進行有效性判斷。剔除明顯超出合理范圍或物理可能性的數(shù)據(jù)點（如溫度低于絕對零度、濕度超過100%等）。例如，計算數(shù)據(jù)的標準偏差，剔除超過3倍或更多標準偏差的離群點（需謹慎使用）。(4)儀器與平臺檢查：考慮儀器性能、校準狀態(tài)、平臺運動（如飛機、船、浮標）對數(shù)據(jù)的影響。檢查儀器是否處于正常工作狀態(tài)，校準是否在有效期內，分析平臺運動可能引入的誤差（如速度相關誤差）。(5)環(huán)境背景檢查：結合天氣背景、地理信息等環(huán)境因素，評估數(shù)據(jù)是否與預期環(huán)境條件相符。例如，在強降水天氣，濕度和能見度數(shù)據(jù)是否異常？(6)統(tǒng)計診斷與標準化：運用統(tǒng)計方法（如趨勢分析、相關分析、功率譜分析）檢查數(shù)據(jù)是否存在系統(tǒng)性偏差、異常趨勢或周期性變化。有時會使用標準化方法（如Z-score標準化）來統(tǒng)一不同數(shù)據(jù)集的尺度，便于后續(xù)比較分析。意義：(1)保證數(shù)據(jù)質量：數(shù)據(jù)質量控制是確保獲得可靠、可信、可用數(shù)據(jù)的基礎，消除或減小錯誤、偏差和不一致性，使數(shù)據(jù)能夠真實反映觀測到的現(xiàn)象。(2)提高分析結果的準確性：高質量的數(shù)據(jù)是進行準確科學分析和建模的前提?；诘唾|量數(shù)據(jù)得出的結論可能是錯誤的或誤導性的。(3)增強研究結果的科學性和說服力：經過嚴格質量控制的公開數(shù)據(jù)集能夠被其他研究者重復使用和驗證，有助于推動科學研究的進展和知識的共享。(4)識別系統(tǒng)問題和改進觀測：質量控制過程有時能揭示儀器故障、操作失誤或環(huán)境干擾等系統(tǒng)性問題，為改進觀測設計、儀器維護和數(shù)據(jù)處理方法提供依據(jù)。(5)滿足應用需求：許多氣象、環(huán)境等應用領域（如天氣預報、空氣質量評估、氣候變化研究）對數(shù)據(jù)的質量有嚴格要求，可靠的數(shù)據(jù)是這些應用有效性的基礎。3.探討無人機遙感技術在現(xiàn)代大氣科學實驗研究中的應用潛力和面臨的限制。應用潛力：(1)提供高時空分辨率觀測：無人機具有體積小、重量輕、靈活性強、飛行成本低的特點，可以在小范圍、短時間內進行密集觀測，獲取高分辨率、高時空分辨率的氣象要素（風速、溫度、濕度、氣壓、氣體濃度等）和大氣成分（如SO2,O3,NO2）數(shù)據(jù)，彌補傳統(tǒng)地面觀測和衛(wèi)星觀測的不足。(2.實現(xiàn)對復雜環(huán)境的原位探測：無人機可以飛越海洋、高山、沙漠、森林、城市峽谷等難以直接到達的區(qū)域進行原位測量，獲取這些特殊環(huán)境下的大氣信息，如海氣交互過程、山地邊界層結構、火災煙霧羽流、城市熱島效應等。(3.多傳感器集成與協(xié)同觀測：無人機可搭載多種遙感傳感器（如激光雷