大气物理学概述
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
大学大气物理知识点总结
大学大气物理知识点总结一、大气的组成地球的大气由多种气体组成，包括氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳、氩气等。
其中，氮气占据了大气的78%，氧气占据了21%，水蒸气占据了0-4%，二氧化碳、氩气等稀有气体的含量很低。
这些气体通过物理和化学过程相互作用，形成了大气层的稳定结构。
大气中的水蒸气是影响天气和气候的重要因素之一。
水蒸气的含量会随着温度、湿度等因素的变化而发生变化，从而影响大气的密度、压强等。
同时，水蒸气还会通过凝结和降水等过程，对大气运动和地球气候产生重要影响。
二、大气运动大气运动是指大气层内空气的运动和变化。
大气层内的运动主要是由于地球的自转和日照等自然因素的影响。
通过大气运动，大气能够输送热量、水汽等物质，在地球表面形成风、云、降水等现象，对地球气候和环境产生重要影响。
大气运动包括大尺度的环流和小尺度的局地风等。
大尺度的环流是指大气层内的大规模运动，包括赤道附近的热带风暴、北极附近的极地环流等。
而小尺度的局地风则是指在地表上的局部风速变化。
大气运动的规律是气象学和大气物理学研究的重要内容之一。
通过对大气运动规律的研究，可以更好地理解和预测天气、气候等现象，为人类生产和生活提供重要的依据。
三、大气层的特点大气层是地球表面以上的气体层，它具有一些独特的特点和结构。
大气层的结构可以分为对流层、平流层、中间层、热层和电离层等。
每个大气层都有不同的特点和功能，对地球的气候和环境产生着重要影响。
对流层是地球大气层的最底层，高度大约为8-18公里。
这一层的特点是温度随着高度的增加而减小，湿度变化较大，大气运动较为活跃。
对流层的地表风、云层、降水等现象都与地球的气候和环境密切相关。
平流层位于对流层之上，高度大约为18-50公里。
这一层的特点是温度随着高度的增加而增加，大气运动较为平稳，大气密度逐渐减小。
平流层对地球的外界辐射和宇宙射线等有一定的屏蔽作用，为地球的生物和人类活动提供了一定的保护。
中间层、热层和电离层则位于平流层之上，高度分别为50-80公里、80-550公里、550公里以上。
大气物理学复习资料
大气物理学复习资料第一部分名词解释第一章大气概述1、干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干结大气，也称干空气。
2、气溶胶：大气中悬浮着的各种固体和液体粒子。
3、气团：水平方向上物理属性比较均匀的巨大空气块。
4、气团变性：当气团移到新的下垫面时，它的性质会逐渐发生变化，在新的物理过程中获得新的性质。
5、锋：冷暖性质不同的两种气团相对运动时，在其交界面处出现一个气象要素（温度、湿度、风向、风速等）发生剧烈改变的过渡带称为锋。
6、冷锋：锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动。
7、暖锋：锋面在移动过程中，暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移动。
8、准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动，有时冷气团占主导地位，有时暖气团占主导地位，使锋面处于来回摆动状态。
9、锢囚锋：当三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷气团）相遇时，可以产生两个锋面，前面是暖锋，后面是冷锋，如果冷锋移动速度快，追上前方的暖锋，或两条冷锋迎面相遇，并逐渐合并起来，使地面完全被冷气团所占据，原来的暖气团被迫抬离地面，锢囚到高空，这种由两条锋相遇合并所形成的锋称为锢囚锋。
10、气温垂直递减率：在垂直方向上每变化100米，气温的变化值，并以温度随高度的升高而降低为正值。
11、气温T：表示空气冷热程度的物理量。
12、混合比r：一定体积空气中，所含水汽质量和干空气质量之比。
r=m v/m d13、比湿q：一定体积空气中，所含水汽质量与湿空气质量之比。
q=m v/(m v+m d)14、水汽压e：大气中水汽的分压强称为水气压。
15、饱和水汽压e s：某一温度下，空气中的水汽达到饱和时所具有的水汽压。
16、水汽密度（即绝对湿度）ρv：单位体积湿空气中含有的水汽质量。
17、相对湿度U w：在一定的温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相对湿度。
18、露点t d：湿空气中水汽含量和气压不变的条件下，气温降到对水面而言达到饱和时的温度。
大气物理学
Td Td 0 h 123(Td Td 0 )(m) 2 (0.98 0.17) 10
注意：有时误差很大。
第三节 大气中的湿绝热过程
定义：大气中有相变发生的绝热过程
一、两种极端情况
1、可逆湿绝热过程
水汽相变所产生的水成物不脱离原气块，始终跟随气块上升或 下降，所释放的潜热也全部保留在气块内部。
g dT dz c pd
∴近似为
dT g d 9.8 /1004 0.98K /100m dz c pd
三、位温
1、定义
气块经过干绝热过程气压变为1000hPa时， 气块所具有的温度。用θ表示，其定义式为
1000 T p
在精度要求不高的计算中常用kd代k计算θ。
1、坐标系
x T , y ln p
2、基本线条 等温线、等压线、等θ线（干绝热线）、 等qs线（等饱和比湿线）、等Θse线（假绝热线）。
等温线：平行于纵坐标的一组等间距（黄色）直线，每隔 1 ℃ 一条线，每隔 10 ℃ 标出温度 数值，其中大字体为摄氏温度 ( ℃ ) ，小字体为绝对温度（ K ）。 等压线：平行于横坐标的一组（黄色）直线，从 1050 百帕到 200 百帕之间，每隔 10 百帕一 条线，图左右两侧每隔 100 百帕标出气压数值。 干绝热线：即等位温线，是一组近似于直线的对数曲线，自图右下方向左上方倾斜的黄色实 线，线上每隔 10 ℃ 标出位温（ q ）数值。当气压值低于 200 百帕时，位温使用括号内数值。
• 对位温定义式求对数，
将x = T, y = ln（1000/p) 代入上式得，
1000 ln ln T k ln p
大气物理学与气候变化
大气物理学与气候变化大气物理学是研究大气环境和大气现象的科学，它是研究气候变化的基础。
气候变化是环境保护的热门话题，也是国际社会关注的重要议题。
随着全球工业化和人口增长的加速，气候变化对人类生存和发展产生了越来越大的影响。
本文将从大气物理学角度探讨气候变化的原因和影响，并介绍一些应对气候变化的方法。
气候变化的原因气候变化是自然环境的变化和人类活动共同作用的结果。
其中，气候系统内部的自然变化是气候变化的基础，而人类活动则加速和放大了气候变化的影响。
下面我们从自然因素和人为因素两个方面分别分析气候变化的原因。
自然因素气候系统内部的自然变化是由多个因素共同作用导致的。
其中最主要的是太阳辐射、地球轨道和海洋循环。
太阳辐射是驱动地球气候变化的主要能量来源，当太阳辐射变化时，地球的气候也会受到影响。
地球轨道的变化会改变太阳辐射的接受量，而海洋循环则是全球气候系统中调节温度和海平面变化的重要因素。
人为因素人类活动是气候变化的重要因素，特别是工业化和城市化进程的加速，导致大量的温室气体排放，使得大气中的温室气体浓度迅速上升。
红外辐射没有被大气层完全吸收，而是被反射回地球表面，从而产生温室效应。
而大气中温室气体的增加，就像给地球“穿上了一件厚厚的毛衣”，使得地球表面的温度升高，从而导致气候变化。
气候变化的影响气候变化对人类生存和发展产生了越来越大的影响，不仅仅是对生态环境造成了极大的危害，而且涉及到人类的一切活动。
下面我们从自然环境、农业和人类健康三个方面分析气候变化的影响。
自然环境气候变化对生态环境造成了很大的危害，导致生物多样性的减少和生态系统的崩溃。
全球气温上升导致冰川消融和海平面上升，这将导致沿海城市和小岛国家面临淹没的风险。
气候变化也会导致干旱、洪涝和风暴等极端天气事件变得更加频繁和严重。
农业气候变化影响了全球农业生产和粮食安全。
温度上升会影响作物的生长和产量，土壤水分、地面水源和灌溉能力将发生变化，造成生产成本增加和经济效益下降。
大气物理学基础知识
大气物理学基础知识大气物理学是一门研究地球大气现象的科学。
它主要研究大气的物理特性、活动、变化和影响因素等方面，并涉及气象学、物理学、化学和地质学等多个学科。
下面就大气物理学的基础知识进行一些探讨。
一、大气组成地球大气主要由氮(N2)和氧气(O2)组成，二者占据了大气中的绝大部分。
此外，其他成分还包括氢(H2)、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氖(Kr)、氙(Xe)、气态水(H2O)和温室气体等，它们的存在对于大气物理学的研究具有重要意义。
二、大气结构大气的结构分为四层，自地球表面向上分别为对流层、平流层、中间层和热层。
对流层即人们所说的大气层，它从地球表面向上延伸约16公里，这一层的温度逐渐降低。
平流层位于对流层之上，这里温度逐渐升高，高度达到60千米以上。
中间层是连接平流层和热层的过渡层，这里的温度在-60到0℃之间。
热层位于大气层最高处，高度达到100千米以上，这里的温度非常高，甚至能够使气体变成离子。
三、大气运动大气系统的运动有大尺度和小尺度之分。
大尺度运动像气流和风一样，可以覆盖数百公里到几千公里的范围，与全球气候和天气有密切关系。
小尺度运动则主要研究雷暴、涡旋和涡流等现象，它们通常比大尺度运动时间和空间尺度更小。
四、大气辐射和温室效应大气中的辐射产生于太阳射线的入射和地球的自然热辐射。
对于太阳辐射，大气吸收了其中的紫外线、可见光和近红外线；对于自然热辐射，大气吸收了其中的远红外线。
大气中温室气体的存在可以吸收和辐射这些辐射，同时也使得地球表面的温度升高，形成了温室效应。
温室效应也是大气物理学研究的重要内容之一。
以上就是关于大气物理学的一些基础知识的介绍。
大气性质和大气活动对于我们的生活和工作都有着深刻的影响，因此了解大气物理学的基础知识也是必要的。
气象学中的大气物理学和大气化学
气象学中的大气物理学和大气化学气象学是一门研究大气环境和天气变化的学科，它主要涉及到大气物理学和大气化学两个方面。
在这篇文章中，我们将对这两个方面进行深入探讨。
一、大气物理学大气物理学是研究大气环境的运动、热力学和动力学特性的学科。
它主要研究大气的温度、压力、湿度、风力等参数以及它们之间的关系。
大气物理学中最基本的概念是大气层，它是指从地球表面到大气的最高点之间的那一部分大气。
大气层可以分成若干个不同的层次，其中最底层是对人类最重要的，也是人们居住和工作的层次。
这个层次被称为对流层，它的厚度大约为10至15公里。
大气物理学中的另一个重要概念是大气循环。
大气循环是指大气中水汽、气体和气溶胶在不同地区和高度之间发生的流动。
这种流动形成了大气的环流系统，它是一个由多个环流组成的复杂系统。
这个系统的形成和运动方式是受许多因素影响的，包括太阳辐射、地球的自转、地球表面的地形和大气中的气体成分等。
大气物理学还研究风、气旋和台风等现象，它们对人类活动产生着重大的影响。
例如，强热带气旋可以造成巨大的破坏，而气温变化会对人类的生产和生活造成很大的影响。
二、大气化学大气化学是研究大气的化学成分及其在大气中的地球化学过程和作用的学科。
大气化学主要涉及到大气中的气态化学反应、大气有机化学、大气生物化学以及大气中化学物质的分布和迁移等。
大气化学主要研究大气中的气体、电离、化学反应等方面。
例如，大气中的氧、氮、氢、二氧化碳等气体成分的化学反应对大气的化学特性和气体分布等有着重要的作用。
此外，大气中也存在着许多有机物和无机物，这些物质将会对人与环境产生潜在的威胁。
大气化学在人类活动中也扮演着重要的角色。
例如，工业排放和交通尾气等都会大量释放大气污染物，这些污染物不仅会对大气本身产生影响，还会影响人类健康和生产活动。
此外，一些化学物质在大气中的迁移和分布也成为科学家们研究的重点。
总之，大气物理学和大气化学分别研究了大气环境的运动和化学特性，它们在人类活动中都扮演着重要的角色。
大气物理学(大气科学的一个分支)
大气物理学和大气科学其他分支有紧密的联系，如大气物理过程受到天气背景的制约，同时大气物理研究和 探测的结果，又广泛用于天气分析和预报，所以它和天气学关系密切；云动力学是大气物理学和大气动力学结合 的产物；大气物理学的许多内容涉及对气候变化的研究；大气物理学是大气探测和应用气象学的基础，而这两个 学科的发展，又丰富了大气物理学的内容。例如大气物理为气象雷达观测提供原理依据，而雷达的气象信息则为 研究大气物理过程提供了丰富的资料。
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研究方向
1．天气动力学、数值模式及模拟分析 2．气候动力学及气候变化和预测 3．热带天气学、海—气相互作用和季风 4．中小尺度天气学和暴雨研究 大气声学5．云雾物理学及气溶胶6．卫星遥感学及其应用 7．大气光学探测及应用 8．大气边界层物理学及下垫面过程 9．污染气象学 10．雷电物理学和雷电探测 11．中层大气物理和化学
特点
云图大气声学、大气光学，大气电学和无线电气象学，是研究大气中声、光、电的现象和声波、电磁波在大 气中传播的特性；雷达气象学研究用气象雷达探测大气的原理和方法，及其在天气分析预报、云和降水物理中的 应用；大气辐射学研究辐射在地球大气系统内的传输转换过程和辐射平衡；云和降水物理学研究云和降水的形成、 发展和消散的过程；大气边界层物理研究受地面影响较大的大气低层的温度、湿度、风等要素的水平和铅直分布， 大气湍流和扩散，水汽和热量传输等；平流层和中层大气物理学研究对流层顶(10公里左右)到80～90公里大气层 中发生的物理过程。大气过程常是多因素综合作用的结果，故大气物理诸方面常常相互联系，如大气电学同云和 降水物理学都研究雷暴。既各有侧重，又紧密相关。
大气物理学笔记
大气物理学笔记一、大气的组成与结构。
1. 大气组成。
- 干洁大气：主要由氮气（约占78%）、氧气（约占21%）、氩气（约占0.93%）等组成。
这些气体在大气中的比例相对稳定，对大气的物理和化学性质有着重要影响。
- 水汽：是大气中含量变化最大的成分，其含量在0 - 4%之间。
水汽是天气现象形成的重要因素，如云、雨、雾等的形成都离不开水汽。
- 气溶胶：包括固体和液体微粒，如灰尘、烟雾、海盐等。
气溶胶对太阳辐射有散射和吸收作用，还可以作为云凝结核影响云的形成和降水过程。
2. 大气结构。
- 对流层。
- 高度：低纬度地区平均为17 - 18千米，中纬度地区平均为10 - 12千米，高纬度地区平均为8 - 9千米。
- 特点：气温随高度递减，平均递减率约为6.5℃/千米；空气具有强烈的对流运动，这是由于地面受热不均引起的；集中了大气质量的约3/4和几乎全部的水汽和杂质，天气现象复杂多变。
- 平流层。
- 高度：从对流层顶到约50千米的高度。
- 特点：气温随高度增加而升高，这是因为平流层中有臭氧层，臭氧吸收太阳紫外线辐射而使气温升高；空气以平流运动为主，气流平稳，有利于飞机飞行。
- 中间层。
- 高度：从平流层顶到约85千米的高度。
- 特点：气温随高度递减，再次出现随高度降低的情况；空气具有强烈的垂直对流运动。
- 热层。
- 高度：从中间层顶到约500千米的高度。
- 特点：气温随高度迅速增加，这是由于该层中的原子氧吸收太阳短波辐射而使气温升高；该层空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电子，也被称为电离层，对无线电通信有重要影响。
- 散逸层。
- 高度：500千米以上。
- 特点：大气极其稀薄，分子间距离很大，一些高速运动的粒子可以挣脱地球引力的束缚而散逸到宇宙空间。
二、大气静力学。
1. 大气压力。
- 定义：大气对单位面积表面的压力。
其单位为帕斯卡（Pa），1标准大气压 = 1013.25 hPa。
- 垂直分布：大气压力随高度增加而减小，在近地面大气压力较大，随着高度升高，大气柱的质量减小，压力也随之降低。
大气物理学课件完整PPT
d t x y z （1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最低值出现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高纬逐渐增大。
程
2、不同密度气团的移动
（二）辐散、辐合与垂直运动
u , v , w x y z
u 0 x u 0 x
空气的散度 辐散 辐合
立方体中的总散度等于三个偏导数之和 1ddtuxyvw z
( ) （3） 2、不同密度气团的移动
x y z t 气压梯度是一个空间矢量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于两等压面间的气压差（ΔP）除以其间的垂直距离（ΔN），可
用下式表示：
一、气压梯度（pressure gradient)
水平气压梯度力的大小为
当或
时
((u)(v)(w ))0 （4）
( t )z
g
dz
z t
对于地面，有
(p0 ) t
g
0
dz
t
[(u)(v)(w )] 连续方程
x y z t
代入
(
p0
)
g
dz
t
0 t
得到
( p 0) g( u v )d zg (u v )d zg (w )dz t 0 x y 0 x y 0 z
水平方向上的 速度辐散、辐 合
气压梯度力（ pressure gradient force) 气压梯度存在时，单位质量的空气所受的力叫气压梯度力，其大小与气压梯度成正比，与空气
密度成反比。
或 则在 时间内，流入这小立方体中总净质量为：
（三）引起局地气压变化的原因
方
二、水平气压梯度力的大小和方向 可以分为以下三种类型：
1duvw0 （9） 将（7）式代入（5）式，得到：
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。
大气物理学的基本概念和原理
大气物理学的基本概念和原理大气物理学，指的是研究地球大气现象的一门学科。
在大气物理学里，我们可以学习到很多关于大气现象的基本概念和原理。
接下来，我将从以下几个方面为大家介绍一下。
一、气压和温度大气物理学中，气压和温度是很重要的两个概念。
气压是指空气对于水平面上某一点的压强，通常用帕斯卡（Pa）来衡量。
在地球上，气压是每平方米承受的重量，我们也可以用毫巴（hPa）来表示。
温度是指物体分子的平均动能大小，通常用摄氏度（℃）或华氏度（℉）来表示。
二、大气成分地球的大气主要由氮气（78%）和氧气（21%）构成，另外还有一小部分的氩气、二氧化碳、甲烷、氯气等。
其中，二氧化碳是温室气体之一，在大气中的含量增加会使地球变暖，导致气候变化。
三、大气循环地球大气的运动是大气循环。
大气循环包括全球大气循环和局地大气循环两个方面。
全球大气循环是指大气的长距离的水平运动，局地大气循环则是指大气短距离的水平运动。
全球大气循环的目的是平衡地球上的能量，维持气温的稳定。
四、大气湍流在地球上，空气的运动不是一直顺畅的，而是具有不规则的涡旋流动。
这种运动形式称为大气湍流。
大气湍流通常产生于地表和大气之间的相互作用，它们对大气的温度和湿度分布等方面都有重要的影响。
五、天气形成天气是指某一时刻某个地方的大气状况。
天气条件可以通过空气的温度、气压、湿度等参数来描述。
天气形成的过程与大气循环密切相关。
大气湍流、气压变化、水汽凝结、辐射传输等过程也是天气形成的重要因素。
在大气物理学的学习中，我们需要掌握上述这些基本概念和原理，这对于我们理解大气现象的本质和规律有着非常重要的意义。
同时，大气物理学也是探究气候变化、天气预报以及人类活动对自然环境造成的影响等问题的关键所在。
大气物理学
2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界 层与大气湍流学科的发展
大气物理学
第一章 大气概述
安俊琳 Junlinan@
参考书目：
1.[美] J、M 华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学 概观.上海科学技术出版社，1981 2. 许绍祖主编. 大气物理学基础. 气象出版社, 1991 3. 周秀骥等编著. 高等大气物理学.气象出版 社,1991 4. 盛裴轩,毛节泰等. 大气物理学, 北大出版社, 2003
一、气体成分
90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀 层
1、90km以下大气的气体成分 1）按浓度时空变化是否明显来分， 分为： 定常成分：浓度的时空变化不明显 的气体成分。主要包括N2、O2、惰性 气体 可变成分：定义略。例如，水汽、 CO2、O3、CH4等
1880-1881，英国物理学家J.Aitken等指出了凝结 核在雾滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson 发明云室，因此获1927年诺贝尔物理学奖。——〉 是云雾物理的基础和开端。
2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）
具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理 学的发展。
社会科学
地球科学
包括 大气科学 、海洋科学、地理学、地 质学等
大气科学
基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天 气气象、医疗气象、污染 气象、人工影响天气等
四、大气物理学发展简史
1）近代大气物理学起始阶段（18世纪中 叶~20世纪中叶）
大气物理学
大气物理学
1）大气的重要物理参数：
大气密度——指单位体积内的空气质量 、
（kg/m3）
大气温度——是指大气层内空气的冷热程度
大气压力——是指大气层内空气的压强，即单位体积上承受的空气的垂直作用力。（Pa）
粘性——是流体的固有属性。两相临流层的流速不同时，两流层面上产生相互粘带和相互牵扯的力，这种特性就是流体的粘性。
可压缩性——是指一定量的空气在压力或温度变化时，其体积和密度发生变化的特性。
湿度——通常用相对湿度来表示，是指大气中所含水蒸气的量与同温度下大气能含有的水蒸气最大量之比。
音速——是指小扰动在介质中的传播速度。（m/s）
2）大气层的构造
对流层、平流层、中间层、电离℃760mmHg H=O m）
平流层大气物理学
相关学科
相关学科
大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物 理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大 气电学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、 医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。
1923年，林德曼和多布森在以流星尾迹来推测高空大气密度的研究中，预料在平流层的上层为高温区。人们 根据曙暮光的观测，也得到同样的推论。第一次世界大战期间，发现炮声除在炮点附近有一个可闻区外，在远方 还有一个可闻区，由此推测，在50公里附近的高空必须有一层温度较高的大气，才能使声音折返地面，形成远方 的可闻区。以上主要是用声、光现象对平流层和中层大气的特性进行间接的推测。
研究简史
研究简史
二十世纪初
平流层和中层大气温度的分布二十世纪初，由于探测技术的进展，人们发现了平流层。1901年，法国科学家 泰斯朗·德·博尔用气球携带自记气象仪探测高空大气，观测记录表明，在约11公里处，温度约为-55℃，在此 以上大气层里气温近于不变，后来泰斯朗·德·博尔提出了大气分对流层和平流层两层的概念。
平流层大气物理学是研究平流层和中层大气的结构、成分、状态，以及其中发生的物理、化学过程的学科， 由于氧和臭氧对太阳紫外辐射的吸收，臭氧、水汽和二氧化碳的红外辐射，构成了平流层和中层大气中的冷热源 汇，产生了平流层和中层大气的温度分布和大气环流。对平流层和中层的研究有助于对大气整体的物理过程的了 解。平流层大气物理学是大气物理学的一个分支。大气物理学主要包括大气边界层物理学、云和降水物理学、雷 达气象学、无线电气象学、大气声学、大气光学和大气辐射学、大气电学、平流层和中层大气物理学。大气物理 学的研究领域不断扩大。如为了改进大气中的电波通信、光波通信、提高导弹制导水平，就需要了解它们所赖以 传播的大气介质及相互作用，因此就要研究大气的声、光、电和无线电气象；又如，为避免晴空湍流引起飞机堕 毁的事故，就要研究大气湍流。
物理学中的大气物理和海洋物理
物理学中的大气物理和海洋物理物理学是研究自然界基本规律和物质结构的科学。
在物理学中，大气物理和海洋物理是两个重要的分支，它们关注的是地球大气层和海洋中发生的各种物理现象和过程。
本文将详细介绍大气物理和海洋物理的基本概念、研究内容和研究方法。
大气物理基本概念大气物理是研究地球大气层中物理现象和过程的科学。
它主要包括大气组成、大气结构、大气运动、大气波动、大气辐射等方面的内容。
研究内容1.大气组成：研究大气中的气体、液体和固体颗粒物等成分及其分布和变化规律。
2.大气结构：研究大气层的层次结构、温度、压力、密度等参数的分布特征。
3.大气运动：研究大气中的风、气旋、锋面等运动形式及其产生和变化的原因。
4.大气波动：研究大气中的长波、短波、Rossby 波等波动现象的产生、传播和消散过程。
5.大气辐射：研究太阳辐射、地面辐射和大气辐射在大气中的传播、吸收、散射等过程。
研究方法1.地面观测：通过气象站、雷达、激光等设备对大气参数进行实时观测。
2.卫星遥感：利用气象卫星、地球同步轨道卫星等对大气进行全球范围内的观测。
3.数值模拟：利用计算机模拟大气运动和波动过程，揭示大气现象的内在规律。
4.实验研究：通过实验室模拟和野外实验，研究大气物理过程的微观机制。
海洋物理基本概念海洋物理是研究地球海洋中物理现象和过程的科学。
它主要包括海洋水文、海洋气象、海洋声学、海洋光学、海洋热力学等方面的内容。
研究内容1.海洋水文：研究海洋水体的分布、运动、温度、盐度等参数的特征和变化规律。
2.海洋气象：研究海洋上的风、浪、潮汐等气象现象及其与大气相互作用的过程。
3.海洋声学：研究声波在海洋中的传播、反射、折射、散射等现象及其应用。
4.海洋光学：研究光在海洋中的传播、散射、吸收等过程，以及海洋颜色、光谱特性等。
5.海洋热力学：研究海洋中的热量传递、温度分布、热流等现象及其对气候和环境的影响。
研究方法1.海洋观测：通过浮标、潜标、海洋调查船等设备对海洋参数进行实时观测。
大气物理学的发展与趋势
大气物理学的发展与趋势大气物理学是研究大气运动、热力学、化学和辐射，以及大气与地表、海洋、生态系统之间相互作用的一门学科。
它在气象预报、风险防控、环境保护等领域都有重要的应用。
本文将从大气物理学的历史、理论基础和未来发展趋势三个方面来探讨这门学科的发展。
一、历史大气物理学的历史可以追溯到19世纪初，当时人们还不知道大气的构成和性质。
1824年，法国科学家吉列莫·德·比耶特发现了对流的存在，开创了对流层物理学的研究。
1856年，英国气象学家伊萨克·纽顿发现了居住在大气中的气态微粒，并且研究了它们对太阳辐射的影响。
20世纪初，大气物理学逐渐成为一个独立的学科。
1926年，挪威气象学家比约尔克·滕斯提尔在巴尔的摩举行的一次国际气象学会议上提出了“第一大气层”和“第二大气层”的概念。
1930年代，大气物理学取得了一系列突破性的进展，包括雷达的发明和气象卫星的应用。
二战期间，气象学在军事行动中扮演了重要角色。
二、理论基础大气物理学的理论基础主要包括热力学、动力学、辐射学和化学。
热力学主要研究了大气中温度、压强、密度和湿度等参数的分布规律，以及它们在大气中的变化过程。
动力学主要研究了大气的运动过程，包括大气的垂直运动、切向运动和旋转运动等。
辐射学研究的是太阳辐射和地球辐射对大气的影响，以及大气对辐射的吸收、散射和反射。
化学则研究了大气中各种气体的分布和化学反应，以及它们对全球气候的影响。
三、未来发展趋势未来的大气物理学发展趋势主要集中在以下几个方面。
1. 模型发展：大气模型是大气物理学研究的重要工具。
未来的大气模型需要更高的空间分辨率和更多的物理参数，以提高气象预报的准确度。
2. 数据采集：随着传感器和探测器的迅速发展，未来可以采集到更丰富和更详细的大气数据，包括温度、湿度、气体组分、辐射等参数，有助于更准确地模拟和预测气象变化。
3. 跨学科交叉：大气物理学需要与其他学科进行紧密的合作，如地球科学、生态学和信息科学等，以进一步深入了解大气与其他领域的相互作用。
大气科学中的基本原理和应用
大气科学中的基本原理和应用大气科学是研究地球大气物理、化学和气象学的科学。
它涉及多个领域，包括气象学、热力学、动力学和化学等。
了解大气科学的基本原理和应用对于我们的生活和社会发展至关重要。
一、大气科学的基本原理1. 大气层结构大气层结构通常被划分为四个层次：对流层、平流层、中间层和外部层。
对流层是最底层的大气层，大气物理现象最为活跃。
平流层位于对流层之上，以较小幅度的温度变化和纵向风为特征。
中间层位于平流层与外部层之间，它向上延伸至约80公里处。
外部层包括热层、电离层和磁层。
2. 大气物理学大气物理学主要研究大气层中气体的物理属性和相互作用关系。
它涉及大气的运动、辐射、热力学等方面。
大气物理学还探讨了大气内部层与地表之间能量和质量的交换，如空气温度、湿度、气压等指标的变化。
3. 气象学气象学是理解大气科学的一个分支学科。
它研究大气中的各种气象现象，例如空气流动，湍流，气旋旋转等。
在气象学中，人们测量和记录大气现象，用科学方法解释和预测天气的变化。
4. 气象数据分析和模拟在气象信息处理和分析过程中，要使用统计和计算机模型方法来分析气象数据及其变化。
这样可以快速准确地预测气象事件的发生，如暴雨、台风等。
二、大气科学的应用1. 气象预报最常见的大气科学应用是气象预报。
世界各地的人们都享受着由气象学家提供的气象预报服务。
他们使用大量的气象数据和气象模型，并将其分析成日常可以理解的格式，如气温、降雨、风向等信息。
2. 空气质量监测和预警空气质量指数是一个常用的空气质量测量方法。
它会监测和报告空气质量水平的变化，以便人们做出相应的行动，如在污染严重的日期改变出行计划。
3. 气候变化研究和预测气象局和科学家使用大量数据和模型来预测气候变化。
他们可以通过仔细研究数据变化量和趋势，提出有关地球温度、降雨、海平面上升等问题的预测。
4. 大气物理学在能源领域的应用大气物理学还可以应用于能源领域。
例如，利用大气物理学中的太阳辐射度量等原理来建造太阳能电站，提供家庭和企业所需的电力。
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1
学科位置
按研究范畴大体可划分为： 自然科学：数、理、化、天、 地、生、工 程 与材料科学、 信息科学、管理科学
社会科学
2
地球科学
包括 大气科学 、海洋科学、地理学、地 质学等
大气科学
基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天 气学、气候学、大气探测学
应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染 气象、人工影响天气等
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3 km
三、大气气溶胶粒子
1、定义：
大气中分散、悬浮有液体或固体微粒 时的气体和悬浮物的总体系称为大气气 溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒 子。
尺度范围：1nm-100μ m
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2、分类 1）云降水学分类（按半径分类）
爱根核：半径在0.01到0.1微米之间。 大核：半径在0.1到1微米之间。 巨核：半径大于1微米。
1871，英国物理学家 Rayleigh解释了天空 兰色的 现象
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1908，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题
1859-1901，这两 位德国物理学家 开创了辐射定律
Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947） 德国物理学家，量子力学的开 创人
G.R.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家
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•他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹， 目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。 •1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探 测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与 2．735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相 对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的 黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是 “大爆炸”模型最令人信服的证据之一。 通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后 110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的 理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。
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2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）
具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。 1）1946年，美国物理学家ngmuir, V.J.Schaefer发 现干冰可以催化云产生降水
2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大
气湍流学科的发展
3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学
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4、重要气体成分的作用
1）主要气体—氮、氧
对生命活动有重要意义，但对天气、 百万年尺度的气候变化没有什么作用。
2）微量、痕量气体—水汽、CO2 、O3 a)水汽 是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。 39
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地表上的水 – 全球年水量平衡
从低层到高层依次为N2 、O、 He、 H
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第二节 大气组成
一、气体成分 90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀层 1）按浓度时空变化是否明显来分， 分为： 定常成分：浓度的时空变化不明显 的 气体成分。主要包括N2、O2、惰性气体
可变成分：定义略。例如，水汽、 CO2、O3、CH4等
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2）按浓度
二、地球与宇宙
银河系与河外星系
银 河 系 中 心
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太阳系
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2006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联合会IAU 大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。 国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。 冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳 系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。
43
44 Fig. 1-4, p. 7
45 Fig. 1-3, p. 6
Increase in catastrophic flood events
46
Global average sea level has risen and ocean heat content has increased
80
干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气
的过程。包括重力下沉、附粘移出。
湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响
而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长 下沉、碰并下沉。
81
4、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用
1）在云雾降水中的作用； 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloud condensation nuclei)或IN (ice nuclei) 2）对大气辐射过程的影响； 吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂 直分布。
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Increase in frequency and intensity of droughts
Source: 48 OSTP
Snow cover and ice extent have decreased
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复习
大气物理 行星大气 地球大气的演化 现代大气的组成
50
大气污染
51
+ CCN +
11
膨胀理论
上世纪70年代，美国科学家Alan Guth、Paul Steinhardt和美籍俄裔天文学家Andreas Linde 提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙 极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常 速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。
可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和 宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。
主要气体：浓度≥1%，包括N2、O2、Ar
微量气体：1ppm—1%，包括CO2、 CH4 、Ne 、 He、 Kr、 水汽（2 ppm— 4%
痕量气体：＜ 1ppm，包括（见表）
35
Table 1.1
U.S. Standard Atmosphere.
Content (% by volume) 78.084 20.948 0.934 0.333 18.18× 10-4 5.24× 10-4 1.5× 10-4 1.14× 10-4 0.5× 10-4 0.27× 10-4 0.19× 10-4 0-12× 10-4 0.089× 10-4 0.004× 10-4 0.001× 10-4 0.001× 10-4 0-0.04× 10-4 0.0005× 10-4 0.00005× 10-4 Traces
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Constituent gas Nitrogen (N2) Oxygen (O2) Argon (Ar) Carbon dioxide (CO 2) Neon (Ne) Helium (He) Methane (CH 4) Krypton (Kr) Hydrogen (H2) Nitrous oxide b (N2O) Carbon monoxideb (CO) Ozone (O3) Xenon (Xe) Ammoniab (NH3) Sulfur dioxide b (SO2) Nitrogen dioxide b (NO2) Water vaporb (H2O) Nitric Oxideb (NO) Hydrogen Sulfideb (H2S) Nitric acid vapor
UV-A
UV-B
315~400
280~315
基本不吸收
吸收大约90％
UV-C
200~280
全部吸收
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
全球年总降水量=500000 km3 3 全球年总蒸发量=500000 km
陆地年总降水量=110000 陆地年总蒸发量= 70000 km3 3 余40000 km
----------- ----------------地面
的研究
7
第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化
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9
第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化 一、宇宙的起源 大爆炸学说
•按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的 学生American physicists Ralph Alpher and Robert Herman （1940s）认为过去必定 存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被 压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为 “大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。
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b) CO2 c) O3
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The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28%. This increase is primarily due to the burning of fossil fuels (also some loss of biomass)
上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有 不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。
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膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离
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宇宙无限论：
•在17世纪，Galilei、Newton 在经典力学 体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论， 即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无 限的天体分布在无限的空间之中。
2）大气环境学分类
TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、 灰霾、等。
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3、大气气溶胶粒子的源和汇
1）源
据估计，全球气溶胶质粒主要是自 然界产生的，人工来源仅为自然来源的 五分之一。 包括海水飞沫（见下图）、气粒转 换、风扬沙尘、火山爆发