大气物理学主要知识点

主要知识点

•理想气体状态方程

•绝热过程与位温

•饱和水汽压、冰面饱和水汽压

•饱和绝热与假绝热

•抬升凝结高度、自由对流高度、浮力能量、对流凝结高度

•均质核化、异质核化

•曲率效应、溶质效应

•临界过饱和度/临界半径

•Kohler曲线、霾的形成

•云滴碰并增长、末速度

•冰云核化、贝吉隆Bergeron过程

•气溶胶、凝结核、云凝结核

•气溶胶分类、源、汇、寿命、分布

•气溶胶吸湿参数

•气溶胶对云和降水的影响

•气溶胶直接效应、间接效应

•短波辐射、长波辐射、温室效应与温室气体

•大气吸收谱与大气窗区

•云对地球辐射的影响

•Chapman机制、催化损耗循环、南极臭氧损耗机制、北极何时出现臭氧洞

•边界层、地表能量平衡、地表水平衡

•静力稳定度、动力不稳定

•边界层日变化

•海陆风、山谷风、城市热岛效应

•Rayleigh散射、米散射

•对流层顶定义、对流层顶分布特征

•热带对流层顶层

第二讲

大气科学研究手段

•探测设备研制——研制少、技术落后、水平低

•野外观测——试验少、国外仪器、手段单调（促进国外改进设备）

•遥感反演（卫星、飞机、地基、移动）——国外观测、反演理论与方法少、验证工作多•资料同化（同化方案、资料库）——国外模式、理论研究多、无国产品

•诊断分析——国外资料、国外卫星资料、国外模式资料、工作众多（促进国外完善资料）•数值模拟（模式研制、运行者）——国外模式、研制改进少、运行者众多（促进国外完善模式）

关于探测的一些注意事项

1.视事未必是事实

2.精确测量未必就是测量精确

大气物理学范畴

•大气物理学寻求从物理原理来解释大气中发生的各种时间与空间尺度的现象。大气物理学可以广泛地认为包括所有大气现象。流体力学、热力学、电磁学

•大气科学领域传统上把大气物理学与大尺度动力学（中尺度、天气尺度、行星尺度）

以及大气化学区分开来。

•领域：大气辐射、气溶胶物理学、云物理学、大气电学、大气边界层物理学、小尺度大气动力学。大气化学

•目的（社会需求）：提高天气、气候预测水平。

大气物理学研究特点

•实验科学，探测（实验）能力→研究水平

•探测平台：地面观测、雷达；风筝、气球、平流层气球；飞机（无人机）、轮船、浮标、火箭、卫星

•探测内容：常规要素（风温压湿、辐射）→湍流通量→云微物理量→大气成分•实验室实验：化学反应（截面、常数、速率）、微物理（云滴、起电）

大气物理学主要挑战

•领域：大气辐射、气溶胶物理学、云物理学、大气电学、大气边界层物理学、小尺度大气动力学。

•在每一个领域，我们对最基本问题所涉及的物理原理都有很好的认识。

•但是，单独认识这些物理原理并不能保证对所观测到的大气现象有充分的认识，这是因为这些现象本质上是很复杂的，是各种物理过程之间错综复杂的相互作用的结果。

另外，这些作用跨越很大的时间空间尺度，许多小尺度过程对大尺度过程有显著的群体效应（例如云滴的群体相互作用对云生命期的影响，云的演变对天气发展的影响，天气发展对气候的影响）。

几个重要概念

•能量收支：温室气体、反照率（冰雪）、云、气溶胶

•水循环：蒸发、降水、径流

•碳氮循环：排放、光合、源汇

•多尺度、相互作用、非线性、复杂

•参数化

•非均匀：植被、城市化、沙漠绿洲、水面

•复杂地形：深大地形

•边界：地表、边界层顶、对流层顶

云的形成

理想气体状态方程：

✓是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。✓pV=mRT，R是摩尔气体常数，取决于所考虑的气体。

✓气体密度ρ=m/V，则p= ρRT

✓阿伏伽德罗假设：含有相同分子数的气体在相同温度和压强下体积相同。

✓气体摩尔数n=m/M（分子量），普适气体常数R*=R/M，则pV=nR*T，R*=8.3145J K–1 mol–1。绝热过程与位温：

✓气体从原有的压强与温度出发，绝热膨胀或压缩到标准压强时(1000mb)的温度。可用来比较不同气压下的气体热状态。

✓泊松方程θ=T(p0/p)R/cp，c p是气体定压比热，对于干空气而言，R/c p≈0.286。

✓干绝热温度递减率：–(dT/dz)=g/c p=Γd，9.8 C/km。

饱和水汽压：

✓一个密封的盒子装有温度为T（假设维持不变）的纯水。假设初始盒子中空气完全是干燥的，水将开始蒸发。在蒸发过程中，盒子中的水分子数增加，从而导致水汽压增加。当水汽压不断增加时，水汽分子返回液态水面的速率也会增加。如果，返

回速率低于蒸发速率，则盒子中的空气是未饱和的。当盒子中的水汽压增加到一定程度，返回率等于蒸发率，则盒子中的空气相对于温度为T的纯水面是饱和的。此时水汽压强e s称为温度T时纯水面上的饱和水汽压。

饱和水汽压公式：

✓水汽压随温度非线性变化，满足克劳修斯-克拉伯龙（Clausius-Clapeyron）关系。

✓

✓饱和水汽压、蒸发比潜热、水汽气体常数

✓August-Roche-Magnus近似表达式：

✓T摄氏度

冰面饱和水汽压：

✓如果把水换成温度为T的冰面，当返回率等于蒸发率时的水汽压e si称为温度为T时的冰面饱和水汽压。

✓e si与e si是温度T的函数，也受液（或冰）面形状影响。

✓在任何温度下，冰的蒸发率都小于水的蒸发率，因此e s(T)>e si(T)。

✓随着温度增加，水分子脱离水面或冰面的速率增加，因此，es与esi都随温度增加。

es—esi的大小在—12 C左右达到最大。

✓所以，如果冰晶粒子处于水面饱和空气，水汽分子将沉积在冰晶粒子上，从而会增长。

湿度表达方式

✓比湿：单位质量空气（干空气+水汽）中水汽质量mv所占的比例，称作比湿q ✓相对湿度（液面），空气相对湿度定义为空气中水汽分压与空气温度饱和水汽压（液面）之比，

露点与霜点