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2025年大学《大气科学》专业题库——大气动力学在火山喷发预测中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.在火山喷发过程中，驱动火山灰向上运动的主要力是：A.地转偏向力B.摩擦力C.火山喷发物的浮力（相对于周围空气）D.压力梯度力2.火山喷发后，火山灰云的水平和垂直扩散主要受到哪种力的影响最大？A.地转偏向力B.摩擦力C.浮力D.火山喷发初始动量3.大气静力稳定度对火山灰云的沉降速度和垂直扩散范围有何影响？A.稳定大气有利于火山灰云的快速扩散，但会加速其沉降B.稳定大气不利于火山灰云的扩散，但会减缓其沉降C.不稳定大气有利于火山灰云的快速扩散，并可能抑制其沉降D.不稳定大气不利于火山灰云的扩散，但会加速其沉降4.在火山喷发动力学模拟中，描述喷发柱内部气流运动的核心方程是：A.连续方程B.热力学方程C.紊流扩散方程D.旋转坐标系下的动量方程5.火山喷发的火山气体（如SO2）在大气中主要通过哪种机制被稀释和清除？A.化学反应B.沉降C.大气环流输送D.光化分解6.数值天气预报模式在火山喷发预警中的应用，主要关注的是：A.火山喷发的物理机制B.喷发物的化学成分变化C.火山灰云的轨迹和扩散D.地震活动的预测7.火山灰对大气辐射的主要影响是：A.增强太阳短波辐射B.增强大气逆辐射C.减弱太阳短波辐射D.减弱大气逆辐射8.火山羽流内部的旋转现象（卷转）主要是由什么引起的？A.地转偏向力B.喷发口的初始不对称性C.火山喷发物的粘性和密度差异D.喷发柱与周围大气的密度差9.利用激光雷达等遥感手段监测火山喷发物的垂直分布，主要依赖于其如何与大气相互作用？A.反射太阳辐射B.散射激光脉冲C.吸收大气中的水分D.发射红外辐射10.在火山喷发预测中，大气环流模式（GCM）相比区域气象模式（RMM）通常能更好地模拟：A.喷发柱顶部的精细结构B.火山灰云在区域尺度的扩散细节C.局地风场对喷发物扩散的影响D.全球范围内的火山气体浓度分布二、填空题（每空2分，共20分）1.大气动力学中，描述流体质量守恒的方程是________方程。2.火山喷发物（如火山灰）的________和________是影响其在大气中扩散的关键物理参数。3.在水平坐标系中，描述风场与水平气压梯度力平衡状态的理论是________理论。4.火山喷发产生的火山灰云对航空运输的主要威胁在于其可能造成飞机发动机________和降低能见度。5.火山喷发预警系统通常需要综合考虑火山活动参数、大尺度________条件和局地________条件。6.大气湍流运动是影响火山灰云________扩散和________沉降的重要因素。7.火山喷发释放的二氧化硫（SO2）进入平流层后，会与水汽发生化学反应生成硫酸盐气溶胶，这会通过________效应影响地球的能量平衡。8.利用地转风公式U≈-Γ/f*Δσ可估算水平地转风，其中Γ代表________，f代表________。9.火山喷发时，喷发物的动量、密度和喷发高度是影响喷发柱发展和________的关键因素。10.________是指火山喷发物在重力作用下从高空缓慢沉降的过程。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述地转偏向力在大气运动中的作用及其对火山喷发物扩散方向的影响。2.简述火山喷发过程中，喷发柱是如何形成的？涉及哪些主要的物理机制？3.简述影响火山灰云水平扩散的主要大气动力学因素有哪些？4.简述火山喷发产生的火山气体（以SO2为例）可能对区域乃至全球气候产生哪些影响？四、论述题（每题10分，共20分）1.论述数值模式在火山喷发预测中的应用优势、局限性以及提高预测准确性的可能途径。2.结合大气动力学原理，论述火山喷发与局地天气现象（如风场、温度、降水等）之间可能存在的相互作用。五、计算题（共20分）1.假设在一次火山喷发中，测得喷发柱顶部的水平风速为20m/s，地转参数f=10^-4s^-1。若此时喷发柱顶部的垂直速度为5m/s。请利用简化的准地转理论，估算该高度处与喷发柱垂直方向上的地转风速分量，并分析火山喷发物在此高度附近是主要受地转平衡还是惯性离心力主导其水平运动。（提示：可忽略摩擦力，使用旋转坐标系下的动量方程简化形式）试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.D5.C6.C7.C8.B9.B10.D二、填空题1.连续2.密度，粒径3.地转4.堵塞5.大气环流，局地风6.水平，垂直7.灰霾（或直接说冷却）8.气压梯度，地转参数9.火山灰云的扩散10.沉降三、简答题1.解析思路：首先说明地转偏向力的定义（在旋转地球上水平运动物体受到的力，垂直于运动方向和地球旋转轴）。然后解释其在大气运动中的作用（使水平气流偏转，形成气旋和反气旋）。最后，结合火山喷发物扩散，说明其影响：火山喷发物主要受上升气流和周围环境风场影响，地转偏向力使其在水平扩散过程中发生偏向，北半球向右偏，南半球向左偏，并随高度增加而增强。2.解析思路：首先指出喷发柱是火山喷发物形成的垂直上升结构。然后解释其形成机制：喷发提供巨大初始动量，使物质高速向上运动。在上升过程中，由于浮力（喷发物密度小于空气）和/或初始动量，克服重力，形成上升气流。周围较冷的空气受地转力和摩擦力影响向下运动，与上升的喷发物形成边界层或产生旋转。连续的喷发不断补充物质，维持柱体。3.解析思路：列举影响火山灰云水平扩散的主要大气动力学因素：①风场：特别是高空急流和大型天气系统的引导，是决定火山灰云主要扩散方向和距离的关键。②大气稳定度：不稳定大气有利于垂直混合和快速扩散，稳定大气则抑制垂直运动，导致扩散变慢。③大气边界层高度和湍流：边界层高度决定了火山灰可达的最大高度，湍流强度影响火山灰在边界层内的混合和扩散效率。④地转偏向力：影响长距离扩散时的轨迹偏转。4.解析思路：首先说明SO2进入大气层后，主要在平流层与水汽、氧气等发生化学反应，生成硫酸盐气溶胶（如硫酸盐颗粒）。然后阐述其气候影响：①直接效应（冷却）：硫酸盐气溶胶能强烈吸收太阳短波辐射和散射太阳辐射，削弱到达地表的太阳能量，导致地表和低层大气降温，即产生“灰霾”或“硫酸盐冷却”效应。②间接效应（辐射反馈）：气溶胶影响云的微物理过程（如云滴数浓度、云的反射率），进而改变云的辐射特性，产生额外的辐射反馈效应。大规模火山喷发（如1986年埃克塔拉火山喷发）曾导致全球平均气温下降明显。四、论述题1.解析思路：*优势：模式能够模拟复杂的物理过程（对流、扩散、化学转化等），超越人类直接观测能力；可以预测火山喷发物的未来时空分布，提供预警；能够进行情景模拟，评估不同喷发强度或气象条件下的影响；有助于理解火山喷发与大气环境的相互作用机制。*局限性：模式包含简化假设，无法完全精确模拟所有物理化学过程；模式参数化方案存在不确定性，影响模拟结果；需要准确的初始和边界条件，数据同化是难点；计算资源需求大，预报时效性与模式分辨率、复杂度存在权衡；对于小尺度精细结构（如羽流内部细节）模拟能力有限。*提高途径：提高模式物理过程和化学方案的参数化精度；加强高分辨率观测数据同化技术，改进初始场；发展多尺度耦合模式，兼顾大尺度环流和区域/局部细节；结合机器学习等方法改进模式或进行数据融合；加强对新观测手段（如高精度遥感、无人机）的应用。2.解析思路：*火山喷发影响大气：①加热效应：喷发柱和火山灰云对太阳辐射的吸收和散射改变局地能量平衡，可能加热高空，并在地面产生阴影效应。强烈的喷发可能加热平流层，影响臭氧层。②改变大气成分：释放的SO2、水汽、火山灰等改变大气化学成分和微粒浓度。③改变风场：喷发物对风场产生动量拖曳，可能改变局地或区域风结构，尤其在喷发柱下方和火山口附近。火山灰的沉降可能改变地表反照率，进而影响局地热力和动力场。*大气影响火山喷发（反馈）：①风场影响：主导风向和风速影响喷发物的扩散方向和距离，影响火山口附近区域的气压和应力分布，可能（间接）影响喷发强度或稳定性。②大气压力：地表气压的变化是监测和判断火山喷发活动的重要指标。③大气波动/不稳定：强烈的大气波动或不稳定条件可能为火山喷发提供额外的能量或触发条件。例如，强对流天气可能与某些类型的火山喷发有关联。④水汽：大气中的水汽参与火山喷发过程中的相变和化学反应（如SO2转化为硫酸盐），水汽含量可能影响喷发的类型和强度。五、计算题1.解析思路：根据旋转坐标系下的水平动量方程简化形式：U=-Vω，其中U是地转风水平分量（与垂直速度V和地转参数ω相关），V是垂直速度，ω是地转参数。这里给定V=5m/s,ω=10^-4s^-1。
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