大气物理导论I
大气物理学
◇地球大气的温度、气压可直接测量，体积不可以。 地球大气的温度、气压可直接测量，体积不可以。 大气中含有水汽， ◇大气中含有水汽，可分为未饱和湿空气系统和含 液态水（或冰）饱和湿空气系统等。 液态水（或冰）饱和湿空气系统等。
二、对于与外界无质量交换的封闭系，可简化 对于与外界无质量交换的封闭系，
U 2 − U1 = Qs + A
三、对于系统经历一个无穷小的过程
dU = δQs + δA
实质： 热力学第一定律的实质 热力学第一定律的实质： 是一能量转化和守恒定律 热力学第一定律的物理意义： 热力学第一定律的物理意义： 物理意义 系统内（ 能的变化= 系统内（热）能的变化 外界传给系统的热能+外界对系统所做的功 外界传给系统的热能 外界对系统所做的功
◇未饱和湿空气系统：通常的大气可当做由
干空气和水汽组成的二元单相系
◇含液态水（或冰）饱和湿空气系统：含液态 含液态水（或冰）
水或冰的饱和湿空气系统，是指由水滴或冰晶组成 水或冰的饱和湿空气系统， 的云和雾，它含有干空气和水物质（水汽、 的云和雾，它含有干空气和水物质（水汽、液态水和 固态水的总称）， ），所以是二元多相系 固态水的总称），所以是二元多相系
本章内容： 本章内容：
◇回顾普通热力学的基本原理 ◇热力学函数在大气中应用的具体形式 ◇对流层中常见的几种大气热力过程： 对流层中常见的几种大气热力过程：
干绝热过程、湿绝热过程（如云雾形成） 干绝热过程、湿绝热过程（如云雾形成）、等压降 温过程（如露、霜形成） 等压绝热蒸发（如露、 温过程（如露、霜形成）、等压绝热蒸发（如露、 霜消失） 霜消失）过程等
大气导论
地球是太阳系唯一一个是以人类居住的行星.海洋: 占地球表面70%陆地:占地球表面30%地球的气候是适宜人类居住的.在人口爆炸的时代，气候的变化与人类生活休戚相关。
美国科学院(1975年)提议把气候系统的特性概括地分为：–热力特性——气温、水温、冰温和地温；–运动学特性一—包括风、洋流以及相应的铅直运动和冰块的运动；–含水特性—一指的是空气的含水量或湿度、云量和云中含水量、地下水、湖泊水位以及雪的含水量、陆冰和海冰的含水量；–静力特性——包括大气和海洋的压力和密度、空气的成分、海洋的盐度以及系统的边界层状况和物理常数。
•系统内部的各种物理过程、化学过程和生物学过程主要包括‘辐射过程、云过程、陆地表面过程、海洋过程、冰雪圈过程、温室效应气体(CO2、O3、H2O等)过程和气溶胶过程等。
•根据美国科学院的意见，完整的气候系统包括五个物理组成部，即大气圈、水圈、冰雪圈、陆圈和生物圈气候系统成员大气它是包围在地球外面的一层气体、是气候系统中最容易变化的部分。
对流层所具有的持征响应时间或热力调整时间的量级为—个月左石，也就是说，大气运动将热量向垂直方向和水平方向输送，可以在一个月内调整到一定的温度分布。
水圈它包括地表上空的液态水，也包括海洋、湖泊、河流和地下水。
其中四大洋对气候变化是最主要酌。
辐射到海洋表面的太阳辐射大部分都能被吸收。
由于海洋的热容量大，成为一个巨大的能源库。
洋流把大量的热量从赤道地区向极地地区输送，从而在全球能量平衡中起丁很大作用。
海洋的上层在数月到数年的时间尺度上与大气或海冰相互发生作用，而海洋深部的热量调节时间的量级却为几百年。
海洋还与大气交换二氧化碳因此对于气候系统的化学平衡也是有作用的。
冰雪圈它是由全世界的冰体和积雪所组成，其中包括大陆冰被高山冰川、海冰和地面雪盖、湖冰及河冰。
雪被和海约围有很大的季节变化，而冰川和1冰城的变化却耍缓慢得。
冰川和冰原纳体积相范围要在几百年到几时万年之内有明显的变化。
空气动力学基础01大气物理学共33页文档
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
空气动力学基础01大气 物理学
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
微大气物理学讲义1
微大气物理学导论An Introduction to Micro-Atmospheric Physics理论历史简介一、名称由来：以前人们研究大气运动，都是在很大尺度上研究，对于微尺度大气运动的问题，应从英国学者Sutton1953年发表的《微气象学》算起。
半个世纪以来，《微气象学》已成为这一领域中有广泛影响的经典（classical）著作。
插语：不是任何著作都可以称为classical，Newton的《数学原理》，郎道的一套理论力学，华人里面吴大猷的一套理论力学。
George Batchelor《An Introduction to Fluid Dynamics》（流体力学引论），1967年出版，1989年美国Princeton大学的Russel等在《Colloid Dispersion》书中仍将此书列为主要参考书，这三个人是当今从物理角度研究小粒子弥散体系的当红人物。
本书由沈青、贾复译成中文，1997年非常严肃的科学出版社出版。
Sutton的《微气象学》两个局限：1、仅局限于对小尺度湍流区间的研究；2、在小尺度湍流区间的研究中，主要集中在边界层气象。
到现在，微气象学几乎成了边界层气象学的同义语。
温景嵩教授把对微尺度大气运动的研究，从Sutton的小尺度湍流区间，开拓到更小的由气溶胶粒子引起的微米、亚微米粘性流区间，并且已经插手到了纳米量级。
插语：我自己参与的项目：对气溶胶粒子碰并过程的研究，国家自然基金委，批准号：49875003。
其中高Knudsen数下气溶胶粒子碰并过程的研究。
温先生先把注意力集中在气溶胶的力学过程（即胶体动力学）的研究。
二、胶体动力学发展的不同阶段1．孤粒子近似阶段：a)Φykc的功绩：把散布在各个应用学科的研究成果，第一次总结起来独立成一门学科，对以后的研究有深远影响。
代表：Fuchs NA. The Mechanics of Aerosols. Oxford: Pergamon Press, 1964Φykc的局限与错误：对粒子间势考虑不够，只能应用于极端稀释体系。
大气物理知识点总结
大气物理知识点总结大气物理是研究大气运动、气象现象和大气环境的学科。
它涉及了大气的结构、运动规律、热力学和动力学过程等多个方面。
在现代大气物理研究中，人们不仅仅关注天气预报和气候变化，还涉及到了空气污染、天然灾害等问题。
下面将对大气物理的一些重要知识点进行总结。
大气的成分和结构大气是地球表面上的气体层，由各种气体组成。
主要成分包括氮气（78%）、氧气（21%）、稀有气体（1%）、水蒸气（变化范围大）等。
大气主要分为四层：对流层（最底层）、平流层、中间层和外部层。
大气的运动规律大气运动包括垂直运动和水平运动。
垂直运动主要是对流运动和垂直运动。
而水平运动则包括风、地转风、切向速度、螺旋速度、地面风、垂直风等。
大气的热力学过程大气中的热力学过程包括气体的热胀冷缩、热传导、对流传热、辐射传热等。
这些过程对大气的热力学结构和气候有着重要的影响。
大气的动力学过程大气中的动力学过程主要包括了地球的自转和公转、大气的环流、热带气旋、高空急流、地理风等。
通过这些过程，可以了解大气的轨迹和运动规律。
大气现象大气现象主要包括天气、云、雨、雪、冰雹、雾、霾、龙卷风、飓风、台风、雷电、飞沙走石等。
这些现象对人类的生活和生产有着重要的影响。
气象预报气象预报是利用大气物理的知识对气象现象进行预测和预报。
它可以帮助人们更好地安排生活和工作，预防天气灾害等。
气候变化气候变化是指地球气候系统长期的变化。
它包括了气温、降水量、风向等的变化。
近些年来，由于人类活动的影响，气候变化已成为一个重要的全球性问题。
空气污染空气污染是指大气中出现的污染物质，包括了颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等。
空气污染对人类的健康、环境等都具有严重的影响。
天然灾害天然灾害包括了台风、龙卷风、地震、洪水、干旱等。
它们对人类的生产和生活造成了很大的损失。
在大气物理研究中，人们不断地深入探索大气的奥秘，致力于提高气象预报的准确性、探索气候变化的规律、减少空气污染和防范天然灾害。
大气物理学主要知识点
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。
大气物理学：第一章 大气概述
英文名: Mars 火星基本参数： 公转轨道半径： 22794万 千米 (1.52 天文单位) 公转周期： 686.98 日 平均轨道速度： 24.13 千米/每秒 轨道偏心率： 0.093 轨道倾角： 1.8 度 行星赤道半径： 3398 千米 质量(地球质量＝1)： 0.1074 密度： 3.94 克/立方厘米 自转周期： 1.026 日 卫星数： 2 二氧化碳 95%，其余为氮、氩、一氧化碳，大气稀薄
无固体表面， 以轻物质为主
内行星： 类地行星
外行星： 类木行星、 冥王星
英文名: Mercury 水星基本参数: 轨道半长径: 5791万 千米 (0.38 天文单位) 公转周期: 87.70 天 平均轨道速度: 47.89 千米/每秒 轨道偏心率: 0.206 轨道倾角: 7.0 度 行星赤道半径: 2440 千米 质量(地球质量＝1): 0.0553 密度: 5.43 克/立方厘米 自转周期: 58.65 日 卫星数: 无 公转轨道: 距太阳 57,910,000 千米 (0.38 天文单位)
（2）地球大气演化
▪ 行星地球大气：由天体物理学理论推导出来的地球大气， 与实际地球大气相差甚远。实际地球大气以N2、O2为主。
▪ 地球大气是如何演化而来的？？？
（2）地球大气演化
大气物理学
必须把大气看成是地球组合系统的一部分 地球大气演化的三个阶段： 原始大气：地球形成初期，以H2，He和CO为主 次生大气：45~20亿年前，以CO2，CH4，NH3和H2O等
九大行星名字的来由
▪ 水星的英文名字Mercury来自罗马神墨丘利。符号是上面一个圆形下面一个交 叉的短垂线和一个半圆形(Unicode: ☿). 是墨丘利所拿魔杖的形状。在第5世纪， 水星实际上被认为成二个不同的行星，这是因为它时常交替地出现在太阳的两 侧。当它出现在傍晚时，它被叫做墨丘利；但是当它出现在早晨时，为了纪念 太阳神阿波罗，它被称为阿波罗。毕达哥拉斯后来指出他们实际上是相同的一 颗行星。中国古代则称水星为“辰星”。
大气物理学课件
第一章 第 页
3
三、 大气的特性
●空气密度
• 空气密度：单位体积内的空气质量。 • 标准海平面，1.225kg/m3. • 随高度增加，空气密度减小。
第一章 第 页
7
第 1 章：大气物理学
1.1：大气的重要物理参数 1.2：大气层的构造 1.3：国际标准大气 1.4：气象对飞行活动的影响 1.5：大气状况对飞机机体腐蚀的影响
飞机是在大气里航行的飞行器。飞机的空 气动力、发动机工作状态都与大气密切相关。 因此，我们必须对大气有个基本了解。
1.1 大气的重要物理参数
12
污染物质
• 颗粒本身具有腐蚀性 • 颗粒本身没有腐蚀性 • 既无腐蚀性又不具有吸附性
气体 含硫化合物：SO2、SO3、H2S 含氮氧化物：NO、NO2、NH3、HNO3 氯和含氯氧化合物：Cl2、HCl 含碳化合物：CO、CO2 其他：有机化合物
固体 灰尘 ZnO金属粉末 NaCl、CaCO3 氧化物粉、煤粉
●空气的可压缩性
• 空气压缩性：压力或温度改变时，其密度和体积发 生变化的特性。 • 空气流速不大，压缩性不明显 。 • 空气流速大，压缩性明显（高速空气特性）。
第一章 第 页
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●大气的一般特性
➢ 高度增加，空气密度减小。 ➢ 随着高度增加，空气压力减小。 ➢ 高度增加，气温近似线性降低（11000米对流层内）。 ➢ 空气的湿度越大，空气的密度越小。
对流层顶高度为11km或36089ft，对流
层内标准温度递减率为，每增加1000m
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次生大气（还原大气）
¾ 45~20亿年前，地球逐渐冷却（估计地表温 度-15~-10℃）以后，由于造山运动、火山 喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸附的 气体，形成了次生大气； ¾ 主要成分是CO2、N2，微量成分为CO和 H2O； ¾ 没有自由O2； ¾ 可能包含CH4和NH3。
¾火山喷发物: 约85%的水汽、10%的 CO2，以及少量的氮、硫或硫化物 （SO2、H2S等） ¾大气只能容纳少量水汽，大部分水汽形 成云雾和降水，成为地表水----海洋和湖 泊。
大气辐射pheric Radiation
大气辐射学
• 辐射传输是产生大气中各种物理、化 学和天气过程的主要原因以及气候形 成的根本原因之一； • 辐射传输是遥感遥测的理论基础。
主要参考书:
1. 大气辐射学，刘长盛等，南京大学出版社，1990 2. 大气辐射导论，廖国男，气象出版社，1985第一 版，2004第二版 [An Introduction to Atmospheric Radiation，K.N. Liou, Elsevier Science, 1980, 2002] 3. 大气物理学，盛裴轩等，北京大学出版社，2003 4. 大气物理学，王衍明等，青岛海洋大学出版社， 1993 5. 大气物理基础，邹进上等，气象出版社，1982 6. 大气物理学，(英)霍顿，科学出版社，1981 [The Physics of Atmosphere，J.T. Hougton， Cambridge University Press，1977]
地球大气的演化过程
¾ 地球大气演化过程中的三个阶段： – 原始大气：46-45亿年前 – 次生大气（还原大气） ：45-20亿年前 – 氧化大气（现代大气）：20亿年前-
原始大气
¾ 以宇宙中最丰富的轻物质90%的H和10%的 He为主; ¾ 由于太阳风和地球升温的作用，使原始大 气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸散失，估计 在45亿年前或晚些时候，地球上是没有大 气的。
生命由水下到达水面
¾ 生活在水中的这种低级厌氧生命能够释放 氧气。大约到了6亿年前，大气中氧的浓度 达到现在的百分之一，在此期间，高空臭 氧浓度有了明显增加，臭氧削弱了紫外辐 射，使生命能够到达水面，因此氧的这一 浓度称为生物发展史上的第一关键浓度。
¾ 水面植物的光合作用使大气中氧的含量增加较 快，大约4亿多年前，大气中的氧达到现在的十 分之一，并在高空逐渐形成了臭氧层。臭氧层 阻挡了太阳的强紫外辐射，反过来又促进了植 物的繁茂生长，使植物由海洋移向了陆地。繁 茂的植物吸收更多的二氧化碳，放出更多的氧 气；与此同时，动植物体的呼吸和死亡又会消 耗氧气排放二氧化碳，就这样在演变过程中逐 渐达到了一种平衡。生物从海洋发展到陆地， 又到天空，从低级形态进化到高级形态，大气 二氧化碳浓度从3亿年前的3000ppmv下降到约 280ppmv。
上式中h是普朗克常数，ν是频率，λ=c/ ν是 波长。
¾ 光解过程中生成的原子氧可在有第三者 （M）存在的条件下结合成分子氧：
O + O + M = O2 + M
¾ 但水汽离解产生的氧和氧原子对同一波 段的太阳紫外辐射有很强的吸收，因此会 降低光解的速度，最终使原子氧达到一个 平衡浓度。根据简单的模式计算，这样产 生的氧约是现在大气中氧浓度的千分之 一。分解出的氢气扩散到高空，逐渐逃逸 出了地球。但是上述的产生氧的光解过程 还有不确定的因素，如果氢气逃逸的少， 浓度大，氢和氧仍可能重新复合成水汽。
水汽
¾若以过去一个世纪火山喷发的蒸汽率作为 地球形成初期的平均蒸汽率，则现在地球 上水圈上的总质量是很小的，它比由火山 喷发进入大气的总水汽量约小两个数量 级，其原因，可能是海洋深处水体的渗漏 或水汽被紫外辐射分解破坏而消失。
CO2
¾ 在大约30亿年前，CO2浓度是现在的10 倍。丰富的CO2和水汽产生的温室效应，使 地球表面温度逐渐升高而达到300K左右。 在此高温下，大量CO2气体又通过化学反应 生成了碳酸盐沉积在地壳中，降低了大气 中的CO2含量。
讲课提纲
引言 大气概论--大气的组成与垂直结构 第一章 辐射物理基础 第二章 大气中辐射传输特性 第三章 无云大气中短波辐射的传输 第四章 无云大气中长波辐射的传输 第五章 辐射传输方程的数值解法 第六章 辐射传输在遥感中的应用
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¾ 大气圈：包围在地球外部的一层气体总称 为大气圈，简称大气。
¾地球大气以氮、氧为主，在迄今为止已发现的 天体大气中是唯一的。
¾ 还有陆面圈、水圈、冰雪圈、生物圈。
¾太阳系中唯一的蔚蓝色星球。
I.1 地球大气的起源 I.2 地球大气的成分及分布 I.3 大气要素 I.4 地球大气的分层 I.5 大气气溶胶
I.1 地球大气的起源
¾ 基本假设： ¾类地行星大约46亿年前由太阳星云冷凝 的固体物质集聚而成。 ¾在地球形成的当时或稍晚一些时候，曾 经有一段时期地球上是没有大气的。 ¾今天观测到的地球大气是由伴随着火山 活动而从地球内部排出的挥发性物质演 变形成。
现代大气（氧化大气）
¾ 现代地球大气以氮气和氧气为主。在地球上出 现生物以前，地球大气中的游离态氧极少，臭 氧的浓度就更小。这少量氧气是水汽被太阳紫 外辐射离解（光致离解）产生的：
H 2O + hν → H + OH , λ < 0.195μm
H 2O + hν → H 2 + O , λ < 0.195μm
原始生命的出现
¾ 地球上的氧气主要是植物的光合作用产生的，正 是生物圈的作用导致了地球大气的进一步演化， 大约30亿年前，地球处于一个无氧环境中，或者 只有由水汽光解作用产生的极少量氧气，由氧的 光化学作用产生的臭氧就更少。 ¾ 在这种无氧条件下出现的原始生命，由于既需要 躲避陆地上太阳紫外辐射的强烈杀伤，又需要可 见光进行光合作用，因此它们最初只能存在于水 面下10m深处的海洋表面层。
大气物理导论 An Introduction to Atmospheric Physics
陈文忠 wzchen@
大气物理学
• 大气科学领域，气象学本科开设 • 主要介绍大气科学的基本物理原理 – 大气概况、大气辐射学 – 大气热力学、大气静力学、大气动 力学 – 大气边界层物理、大气电、光、声 学