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。
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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
75
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
5
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
10
•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。
6
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
38
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
40
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
33
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
34
2）按浓度
二、地球与宇宙
银河系与河外星系
银 河 系 中 心
15
太阳系
16
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。
47
Increase in frequency and intensity of droughts
Source: 48 OSTP
Snow cover and ice extent have decreased
49
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
36
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
8
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。
41
b) CO2 c) O3
42
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。
12
膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离
13
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