大气科学概论

1.什么叫气候？（即气候的定义）

气象要素经过长时间的平均的状态。气象学常取30年左右。

2.区分气候突变和气候变化

气候突变：气候从一种稳定状态跳跃到或转变为另一种稳定状态的现象。

气候变化：气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动。

3．气候变化的原因

①太阳辐射的变化; ②宇宙沙尘浓度的变化; ③地球轨道的变化;④大陆漂移;⑤山地隆升对大气环流和环

境的影响;⑥洋流的改变;⑦海冰的变化; ⑧大气温室气体的变化;⑨大气气溶胶浓度的变化;⑩极地同温层云量的变化; 11、极地植被的变化; 12、同大陆沙尘气溶胶相联系的“铁假说”; 13、大陆C3 植物向C4 植物的转化;14、天体撞击; 15、火山爆发; 16、地核环流作用

4.云的微观组成

云是悬浮在大气中的小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组成的可见聚合体；有时也包含一些较大的雨滴、冰粒和雪晶；其底部不接触地面。

5.按照云的外形特征；云底的高度，大概将云分为哪几族，哪几属哪几类，并简要分析每一族的特征

3族，10属，29类。高云族：高云形成于6000米以上的高空，对流层较冷的部分。在此高度上的水都会凝华或冻结为冰晶，所以这族云都是由冰晶所组成。高云一般呈纤维状，薄薄的并多数会透明。中云族：中云于2500~6000米的高空形成，它们多由过冷小水滴组成。低云族：包括层积云，层云，雨层云，积云，积雨云五类，其中层积云，层云，雨层云由水滴组成，云底高度通常在2500米以下。大部分低云都有可能下雨，雨层云还常有连续性雨雪。而积云，积雨云由水滴，过冷水滴，冰晶混合组成，云底高度一般也常在2500米以下，但云顶很高。积雨云多下雷阵雨，有时伴有狂风，冰雹等。

6．绘出雨、雪、冻雨、冰粒这四种降水所产生的大气温度随高度的分布草图

！

（不确定！！！！）

7、什么是视程障碍现象？有哪些种类？

答：视程障碍现象是指空气中因存在水汽凝结物，干质悬浮物等而使空气变得浑浊，并造成能见度下降的一种天气现象。雾，轻雾，扬沙，浮沉，霾都是影响能见度的天气现象。

8、如何区分雾和霾？

答：（1）相对湿度不同。发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和或接近饱和的。一般相对湿度小于80%时的大气浑浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于90%的大气浑浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的，相对湿度介于80%—90%之间的大气浑浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。

（2）霾的厚度比较厚，可达1—3km左右，一般雾的厚度比较小，常见的辐射雾的厚度大约从几十米到一两百米。

（3）由于灰尘、硫酸、硝酸及其此类粒子组成的霾，其散射波长较长的光比较多，因而霾看起来呈黄色或橙灰色；由于液态水或冰晶组成的雾散射的光与波长关系不大，因而雾看起来呈乳白色或青白色。

9、简述大气垂直结构的主要特征。（或大气随着高度的分布分哪几层？）

答：按大气的温度垂直结构分层，也就是按大气中性成分的热力结构分层，主要是依据大气垂直减温率的正负变化，可以把大气分成对流层、平流层、中间层和热层。

主要特征：

（1）对流层：1、大气温度随高度降低。2、大气的垂直混合作用强。3、气象要素水平分布不均匀。

（2）平流层：1、平流层的垂直减温率为负值，其下半部的温度随高度变化非常缓慢，上半部由于臭氧层把吸收的紫外辐射能量转化为分子动能，使空气的温度随着高度上升而显著增加。2、平流层的温度结构即与平流层臭氧的垂直分布并吸收太阳辐射紧密相关。3、平流层环流的特点：中纬度地区夏季时是东风，冬季时是西风。4、平流层中也有各种运动，对流层激起的内波会垂直上传到平流层，由于上传的内波的振幅与密度成正比，所以在对流层很弱的重力波到了平流层，其振幅有可能会变得很大。

（3）中间层：1、大气温度随高度降低，此结构有利于对流和湍流混合的发展。2、到85㎞左右的中间层顶（气压约为0.1hPa），温度下降到约—90~—100℃，是地球大气中最冷的部分。3、中间层内水汽非常少，但是在高纬度地区75~90㎞上空的黄昏前后，有时出现薄而带银白色光亮的云，不过出现的机会很少。

（4）热层：1、大气温度随高度增加而迅速升高。2、在热层的高纬度地区经常会出现一种辉煌瑰丽的大气光学现象极光。极光出现的次数随太阳活动的增强而增多。

10、简述大气的基本要素有哪些并简要解释。

答：（1）温度

1、定义：温度是物系内分子间平均动能的一种表现形式。

2、物体的热势（或能量效应）：分子运动愈快，物体愈热，既温度越高，反之亦然。

3、大气温度：指大气层中气体的温度简称为气温。

4、单位：气温的单位一般用摄氏温度℃和绝对温标K表示，我国曾经使用华氏温

度℉。

5、关系：

摄氏温度与华氏温度的关系为℃=5／９(℉﹣32）

摄氏温度和热力学温度的关系为℃=K﹣273.15

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（2）气压

1、定义：大气层中的物体受到空气分子撞击产生的压力称为大气压力，严格应该称为叫大气压强，简称为气压。

2、作用：气压是表征大气状态改变的最重要的物理参数之一。

3、单位体积中的气体分子数越多，那么气压就越高。

4、气压一般用hPa（百帕）来表示，1hPa定义为每平方米上所受到的压力为100N。

5、空气的温度和湿度对大气压强也有影响。

6、压高公式：p=p0×10∧（—z／18400）

7、气场压中一般可以分为低气压、高气压、低压槽、高压脊以及鞍形气压等区域，气压区或者低压中心称为气旋，高压区或者高压区中心称为反气旋。低压区中往往有气流上升运动，常常会有云、雨或大风天气出现；高压区有气流的下沉运动，往往伴随着晴朗的好天气。

（3）湿度

表征大气中水汽含量的一个重要物理参数就是湿度。表征湿度的方法：混合比、比湿、绝对湿度、相对湿度、露点温度等。

1、水汽压

水汽压是指大气中水汽的分强压，常用e来表示，也称为实际水气压。

饱和水汽压是指空气中的水汽量达到某一温度下空气所能容纳水汽的最大量，常用es(T)表示。饱和水汽压仅与温度有关，是温度的函数，随温度升高而增大。而在同一温度下，纯冰面上的饱和水汽压要小于纯水面上的饱和水汽压。

2、混合比与比湿

混合比是某一体积空气所含水汽的质量与干空气的质量之比，一般用r表示。设一定体积空气中含有水汽质量Mv克，干空气质量Md克，那么混合比为r=Mv／Md

比湿是指某一体积空气所含水汽的质量与湿空气的质量之比，一般用ｑ表示，即

ｑ＝Mv／（Md＋Mv）

混合比ｒ和比湿ｑ的对应关系为ｑ＝ｒ／（１＋ｒ）

在一个物理过程中，某个物理量保持不变，称它具有保守性。在未饱和空气的绝热过程中，比湿和混合比是保守量。

３、绝对湿度

绝对湿度是单位体积空气中所含水汽的质量，又称水汽密度，用ρv表示，单位是kg／m∧3，表达式为ρv=e／（Rv T)=εe／(Rd T) 其中Rv是水汽的比气体常数，e是实际水汽压，Rd是干空气的比气体常数，ε为Rd与Rv 的比值。

4、相对湿度

相对湿度是单位体积中的实际水气压与同温度下饱和水汽压之比的百分率，一般用f来表示，即f=（e ／es(T)）p,T 其中e是实际水汽压，es(T)为饱和水汽压。

相对湿度的分布也受季风和地形的影响。

中纬度地区内陆夏季相对湿度比冬季大，但是沿海地区相对湿度全年变化不大，几乎不受季风的影响。

5、露点温度

在气压保持不变的情况下，使某一体积空气中的水汽冷却达到饱和时的温度称为露点温度，一般用Td 表示。

当湿空气定压降温达到露点Td时，即es(T)=e，如果气体等压降温冷却到冰面饱和，那么就是霜点Tf。

在气压保持不变的情况下，如果露点温度愈低，那么就说明该气体空气中水汽含量愈少；相反，露点温度愈高，那么就说明该气体空气中水汽含量愈多。

气温降到露点就会在凝结核或固体表面上凝结。因而大气的相对湿度一般不会超过101%。

露点完全由空气中的水汽压决定，在等压冷却过程中大汽压不变，露点也不变，所以它在等压过程中是保守量。

（4）风

1、风是指空气相对于地面的水平运动，它既有方向又有大小，是一个平面矢量。风的表现形式多种多样，如季风、地方性的海陆风、山谷风、焚风等。

2、描述风的状况需要测量风向和风速。气象上风向是指风的来向，并把风向分为16个方位。风速是指空气运动时气流前进的速度，风速越大，风的动量就越大，风所携带的能量也就越大，气象上一般用风力来表示风速的大小。风速的单位是m／s或者km／h，也可以用风力等级来表示。

3、目前国际上通用的是蒲福风级表。按强弱，将风力划为“零”至“十二”，共十三个等级。蒲福风级发明的时候是只是一种依靠观察海面现象的分级法。1946年后，风力等级扩展至17级，13~17级风力陆上极少见。

4、风速的测量仪器是风向标，由指向杆、平衡重锤、旋转轴和风尾组成。风速的测量主要有旋转风杯风速度表、散热式风速表、声学风速表等。

5、（1）大气运动产生的风可以带来很多好处：1.风速适度对改善农田环境条件起着重要作用；2.风可以

传播植物花粉、种子，帮助植物授粉和繁殖。3.风能是分布广泛、用之不竭的能源。4.中国盛行季风，对作物生长有利。（2）风也会产生消极作用：1.它能传播病原体，蔓延植物病害。2.大风不仅造成海难事故，还使作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。3.大风还造成土壤风蚀、沙丘移动，而毁坏农田。4.在干旱地区盲目垦荒，风将导致土地沙漠化。5.牧区的大风和暴风雪可吹散畜群，加重冻害。6.地方性风的某些特殊性质，也常造成风害。（防御风害，多采用培育矮化、抗倒伏、耐磨擦的抗风品种。营造防风林，设置风障等更是有效的防风方法。）

11、简述大气成分CO2、O3对地球辐射平衡和全球气候变化的影响

O3：臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量可以使平流层大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着决定性作用，如果平流层臭氧浓度下降，那么将会引起平流层上部温度下降，平流层下部和对流层温度上升。

CO2：CO2有强烈的“温室效应”作用，当CO2浓度不断增加时会改变大气的热量平衡，导致大气低层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接影响到人类的生存环境。

12.微波辐射计的定义、种类

微波辐射是可以接收物质微波，输出被测物体的特性参数的一种用途广泛的被动遥感设备。

微波辐射仪分为总能量辐射计和迪克辐射计。

13.一台完整的微波辐射计主要组成部分有哪些？可以提供给我们什么样的气象信息？（P223）

总能量辐射计由通滤波器、增益电路、检波器、低噪声放大器、积分电路构成。

迪克辐射计在通滤波器、增益电路、检波器、低噪声放大器、积分电路的基础上，在输入端增加了温度确知的负载，为系统提供了参考信息。

可以为我们提供的气象信息有：①大气温度阔线②大气水汽含量阔线

14.天气雷达的基本组成及各部分功能，雷达各参数的定义及物理意义P167

①基本组成及各部分功能：

触发信号产生器：它是整个雷达的指挥中心，使各部分协调工作，它周期性地产生一个触发脉冲，输送到发射机和显示器，使发射机开始工作。

发射机：在触发脉冲的作用下，发射机产生短促而强大的高频振荡，经过天线发射出去，这就是探测脉冲。

天线转换开关：将天线、发射机和接收机连接起来的装置。脉冲雷达的发射和接收可以共用一个天线，它的作用是在发射时接通天线和发射器，使强大的高频

振荡脉冲顺利地到达天线不进入接收机；而在脉冲间歇

期间天线和接收机接通，使回波信号全部进入接收机。

天线：由辐射体和反射体两部分组成。从发射机来

的电磁波能量，由喇叭口辐射出来，经过抛物面反射体

的反射，聚集成一束狭窄的强电磁波，向空间定向地辐

射出去。

接收机：放大来自目标的回波信号，并进行信号处

理。

天线转动装置：通过天线转动系统操纵雷达天线进行各种方式的扫描。通过同步系统将天线的方位角和仰角数据传送到雷达显示器，使显示器上的扫描线按照天线的方位角和仰角同步转动。

显示器：显示目标的回波信号，以便直接测定目标的大小、位置、强度和性质等。

②雷达各参数的定义及物理意义

波长λ（或振荡频率f）：电磁波在一个振动周期内传播的距离，它可以用相邻两个波峰或波谷之间的距离来表达。

脉冲宽度τ：探测脉冲的振荡持续时间。由于探测脉冲具有一定的持续时间，因而它在空间也有一定的长度h，h =τc(c是光速)。若脉冲宽度以μs为单位，则上式可以写为h =300τ（m）

脉冲功率P t：发射机发出脉冲的峰值功率。

天线方向图及波束宽度：在极坐标上绘出通过天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布曲线图，称为天线方向图。

在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度，用来衡量波瓣的宽度。波束宽度是指天线主瓣的宽度，是天线的一个重要参数。在垂直面上的波束宽度用θ表示，在水平面上的波束宽度用φ表示。

天线增益：辐射总功率相同，定向天线在最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比用G表示。增益G与波束宽度θ, φ的关系为G=π2/

天线有效面积A s：天线反射体能有效地接受回波信号的口径面积。回波的能流密度S s，乘上天线的有效面积A s，即为天线所接收的总回波功率P r, P r=S s?A s圆抛物面天线的有效面积A s和几何面积A p之间的关系为A s=2A p/3天线有效面积和天线增益之间的关系为A s=Gλ2/(4π)或G=8A pπ/3λ2

雷达波的偏振（磁化）：雷达发射的电磁波通常是平面偏振波或线偏振波，即在垂直于电磁波传播方向的平面内电矢量的振动只限于某一个固定的方向。

天线接收的回波信号非常微弱，接收机应具有接收微弱信号的能力，即灵敏度，用接收机的最小可测功率P min表示。接收机的放大倍数用增益(dB)表示

15.后向散射截面、雷达反射率因子的定义式、物理意义及量纲；

①后向散射截面：

定义式：σ=S s(π)4πR2/S i

物理意义：以入射波能流密度S i乘上雷达截面σ，得到一个散射粒子的总散射功率：当散射粒子以这个功率作各向同性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该粒子在天线处造成的实际后向散射能流密度。

量纲：面积

②雷达反射率因子：

定义式：Z=∫0∞n(D)D6dD

物理意义：雷达反射率因子Z和粒子直径的6次方成正比，说明少数大水滴将提供绝大部分的散射回波功率。

量纲：表征降水目标物回波强度的单位

16.折射率与温、压、湿的关系，五种折射的定义、路径，产生超折射的条件；

超短波在大气中传播时，其折射率n和温、压、湿之间的关系为

N=(n-1)×106=77.6/T×（p+4810e/T）

式中，T是气温，p是气压，e是水汽压。N为大气折射率n的实用单位，简称为折射模数。

A.正折射(K>0,dn/dh<0)：

⑴标准大气折射：标准大气状态下电磁波射线的折射。

⑵临界折射：射线相对于地表的曲率为0的折射。

⑶超折射：射线曲率大于地球表面的绝对曲率时的折射。

超折射产生条件：逆温和上干下湿。

B.负折射：射线曲率小于0的折射。K<0,dn/dh<0

C.零折射：射线的绝对曲率等于0的折射、K=0

路径：

17. 简述气象卫星的观测特点。

1）气象卫星实现全球和大范围观测

2）在空间自上向下观测

3）气象卫星采用遥感探测方式

4）有利于新技术的发展的推广应用

18. 气象卫星常用哪两种轨道？各有什么优缺点？

1）太阳同步卫星轨道

优点：

①由于太阳同步卫星轨道近于圆形，轨道的预告、资料的接收定位处理都有十分方便；

②太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其是可以观测到极地区域；

③在观测时有合适照明，可以到稳定的太阳能，保障卫星正常工作。

缺点：

①虽然太阳同步卫星可以获取全球资料，但是时间分辨率低，对某一地区的观测时间间隔长，一颗极地太阳同步轨道卫星每天只能对同一地区观测两次，不能满足气象观测要求，不能监视生命短、变化快的中小尺度天气系统；

②相邻两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化。

2）地球同步静止卫星轨道

优点：

①由于静止卫星的高度高，视野广阔，一个静止卫星可以对南北70°S~70°N，东西140个经度，约占地球表面积1.7亿k㎡进行观测；

②静止卫星可以对某一固定区域进行连续观测，可以每0.5h或1h提供一张泉景圆面图。在特殊需要时，可每隔3~5min对对某个小区域进行一次观测；

③静止卫星可以监测天气云系的连续变化，特别是生命短、变化快的中小尺度灾害性天气了系统。

缺点：不能观测南北极区，同时对卫星观测仪器的要求高

19.目前常用的卫星图像分为可见光,红外和水汽等通道,在可见光通道,卫图观测到的辐射强度主要与地表的散射与反射系数和云的散射与反射系数有关。把云的辐射强度转换为可见光云图时，辐射强度大，则图像色调为亮；反之，图像色调暗表示辐射强度小；把云的辐射强度转换为红外云图时,辐射强度大,则图像色调为白；反之,图像色调黑表示辐射强度小。

20.列举常见的温度，气压，湿度的仪器，并简明说明他们的观测原理。

①测量温度的仪器：玻璃液体温度表，双金属片温度计，电学温度表。

原理：

玻璃液体温度表:玻璃液体温度表利用测温液体热胀冷缩的特点制成的,温度变化时毛细管内液柱的高度会随之变化,指示温度的高低.温度表内液体体积越大,毛细管的截面积越小,液体与玻璃的相对膨胀系数越大,温度表的灵敏度越高。

双金属片温度计：双金属片温度计是自动记录气温连续变化的仪器，由感应部分，传递放大部分（杠杆），自记部分(自记钟，纸，笔）等共同组成。感应部分由焊接在一起的两种膨胀系数不同的金属片构成。温度变化时，双金属片的形状和曲率也会产生变化。将双金属片的一端固定后，其另一端就会随温度变化自由移动，通过自记笔在由自记钟带动的自记纸上记录下温度的时间变化。

电学温度表分热电偶温度表、金属电阻温度表、热敏电阻温度表。原理分别是靠连接点温度差造成的电动势E=ε(t1-t2)、温度变化造成的电阻变化R t=R0(1+αt+βt2)、温度变化造成的电阻变化R T=Ae^(b/T)。

②点气压测量气压的仪器:水银气压表，空盒气压表和空盒气压计，振筒式气压传感器和沸表。

原理:

水银气压表示一根一端封闭并充满水银的玻璃管，将开口一端插入水银槽中，管内水银柱受重力作用而下降，当作用在水银槽面上的大气压力与管内水银柱重量产生的压力平衡时，水银柱就稳定在某一高度上。在标准状态下，气压的大小可以用水银柱的高度来表示。

空盒气压表和空盒气压计的感应元件都是金属弹性空盒。与弹簧受力形变相似。当气压改变时，空盒随之形变

振筒式气压传感器是由两个一端密封的同轴圆筒组成。内筒与被测气体相通，筒壁为作用在筒内表面的压力所张紧，这一张力使筒的固有频率随压力的增加而增加，测出其频率即可测出压力。

沸点气压表：液体的沸点与气压之间的关系非常准确，因而可以通过测量液体的沸点来测定气压。

③测量湿度的仪器：干湿球湿度表，通风干湿表，毛发湿度表和湿度计和湿敏电容湿度传感器等。

原理：

干湿球湿度表从公式e=E-AP(t-tv)可看出干湿球之间的温度差越大，空气中的水汽压越小；当干湿球之间的温度相等时，e=E，空气达到饱和。

通风干湿表为干湿球湿度表的改良，减小风速对测湿系数的影响，提高了结果的准确性。

毛发湿度表和毛发湿度计的感湿元件是脱脂的人发。脱脂的人发具有随空气湿度大小而改变长度的特性，相对湿度增大时毛发升长，反之毛发会缩短。

湿敏电容湿度传感器由两个小电容器组成，介电层吸水后，介电系数发生变化，导致电容发生变化。