大氣科學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)大綱

1、大氣科學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)大綱大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)作用于空氣的力：重力、氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力氣壓梯度力:其中,p一把iW.3k)二x二yN水平氣壓梯度力：Ghh垂直氣壓梯度力：g-1p-k一，P-；z地轉(zhuǎn)偏向力:科里奧利系數(shù)：f=21sin'x=2ivsin-2f.1wcos科里奧利力在各方向的分量：y=-2Cucos4z=2Jucos忽略摩擦，標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的動(dòng)量方程為:dudt1二p-2vsin-2'wcosF!：.Xdv=-1-21usin巾dt：ydw1fp2&iucos-gzdtfv-fudu_1至dtP,x簡(jiǎn)化后：dv1；p=-dt了，,y-g=04.b-k-豈:&g

2、t;、WVn八一傘史a桿匕U,1-一t,d_連續(xù)方程:dt速度散度的意義:v=-兇光x:yz-l1dp1d、工'v=高;市單位時(shí)間質(zhì)量的變化率:單位時(shí)間體積的變化率:d：dT>0,質(zhì)量增加，v：0,流入輻合d：dT<0,質(zhì)里減少，v.0,流出輻散d："dr>0,體積增加，v.0,膨脹輻散d："dr>0,體積減少，Vv：:0,縮小輻合水平速度散度和垂直速度的關(guān)系:對(duì)不可壓縮大氣有：&二°，即"v=°蟲+史+史=0生+生>0,水平車國(guó)散，更<0,垂直速度隨高度減小，減弱上升運(yùn)動(dòng)則：水的在，有次次迎

3、史+史=-包包+更<0,水平輻合，皿>0,垂直速度隨高度增大，加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)x二yz二x二yz大氣中的平衡運(yùn)動(dòng):地轉(zhuǎn)風(fēng)：在水平氣壓梯度力與水平地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡的風(fēng)，無(wú)加速度、無(wú)摩擦的空氣水平運(yùn)動(dòng)梯度風(fēng)是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三者相平衡時(shí)的風(fēng)。熱成風(fēng)是上層地轉(zhuǎn)風(fēng)與下層地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差，太陽(yáng)、地面和大氣的輻射能量的傳遞方式：輻射，傳導(dǎo)，對(duì)流輻射：以電磁波傳遞能量的過(guò)程輻射能：輻射過(guò)程傳播的能量熱輻射：由于熱的原因發(fā)生的輻射，物體減少本身的內(nèi)能或吸收傳來(lái)的熱量發(fā)生的輻射微波：1mm1m紅外波段：0.761000um可見光：0.380.76um紫外線：0.0010.38u

4、m太陽(yáng)短波輻射：0.154um地面、大氣長(zhǎng)波輻射：3120um輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)空間任一平面的輻射能:P二啦dt(W)輻射通量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積通過(guò)的輻射量:發(fā)射面放出的稱為輻射出射率或輻射能力；接受面的稱為輻照度輻射強(qiáng)度:I單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于選定方向上的單位面積(單位立體角)的輻射能：dPd'1輻射亮度:通過(guò)選定方向上單位立體角單位面積的輻射通量:dldAcosi輻射光譜:dF=F'd在日地平均距離處大氣上界與太陽(yáng)光垂直面上的太陽(yáng)輻照度,1367W/m2物體對(duì)輻射發(fā)生反射、投射與吸收黑體：吸收率不隨波長(zhǎng)變化，且都等于1,即對(duì)入射輻射全部吸收的物體灰體：吸收率不隨波

5、長(zhǎng)變化的非黑體。輻射的基本定律基爾霍夫定律：在輻射平衡的條件下，任一物體的單色輻射能力與物體對(duì)該波長(zhǎng)吸收率的比值是一個(gè)溫度與波長(zhǎng)的普適函數(shù)，與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)。Fv.i（T）.Fv.2（T）：v.1（T）1v,2（T）=Ev（T）也可表達(dá)為任意物體的輻射能力與其吸收率之比等于相同溫度下的黑體的輻射能力。意義：把物體吸收率、放射率和黑體輻射聯(lián)系起來(lái)普朗克定律：絕對(duì)黑體的單色輻出度隨波長(zhǎng)變化的函數(shù):“T-"1E（，1）-5hc/.kT,e-1對(duì)應(yīng)任一溫度，只有一個(gè)峰值，溫度能唯一確定單色輻出度的光譜變化和輻射出射度單色輻出度隨溫度升高而增大；峰值隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。維恩位移定律：隨溫度

6、增加輻射能峰值向短波方向移動(dòng):斯蒂芬玻爾茲曼定律：黑體發(fā)射輻射的能力與其絕對(duì)溫度的四次方成正比：E=仃丁4太陽(yáng)溫度：約6000K太陽(yáng)輻射能力對(duì)應(yīng)峰值0.475um,對(duì)應(yīng)可見光青光太陽(yáng)輻射：紫外光區(qū)：7%;可見光區(qū)：50%;紅外光區(qū)43%影響大氣上界太陽(yáng)輻射的因素：日地距離、太陽(yáng)高度、白晝長(zhǎng)度太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減：大氣對(duì)輻射的吸收、大氣對(duì)輻射的散射、大氣對(duì)輻射的反射。大氣的吸收：太陽(yáng)輻射因水汽吸收減弱415%;大氣對(duì)太陽(yáng)輻射吸收具有選擇性，減弱作用不大；太陽(yáng)輻射不是大氣主要的直接熱源。大氣的散射：散射：光通過(guò)密度或折射率分布不均的介質(zhì)，除光傳播方向外，其他方向也可見到光。瑞利散射（分子散射）：

7、太陽(yáng)輻射遇到直徑比起波長(zhǎng)小的空氣分子發(fā)生的散射。有選擇性,波長(zhǎng)越短散射越強(qiáng)，天空呈藍(lán)色是因?yàn)檩椛渲胁ㄩL(zhǎng)短。粗顆粒散射（米散射）：太陽(yáng)輻射遇到空氣中波長(zhǎng)尺度大的顆粒所發(fā)生的散射。無(wú)選擇性,使天空呈灰白色。大氣的反射：無(wú)選擇性，反射光呈白色太陽(yáng)輻射在大氣中的削弱與其經(jīng)過(guò)路徑的空氣質(zhì)量有關(guān)，還與大氣透明度有關(guān)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射：直接輻射和散射輻射直接輻射：受太陽(yáng)高度和大氣透明度影響散射輻射：受太陽(yáng)高度角，大氣透明度和云量、云狀有關(guān)?？傒椛渲饕獩Q定于直接輻射地面輻射：由地面發(fā)射指向的電磁波輻射，大部分被大氣吸收大氣輻射：大氣發(fā)射的長(zhǎng)波輻射，一部分下達(dá)地面，一部分周圍大氣吸收，小部分到達(dá)宇宙。大氣逆輻射

8、：大氣輻射指向地面部分大氣保溫效應(yīng)：沒有大氣地表均溫255K,實(shí)際288K。地面有效輻射：地面發(fā)射的輻射與地面吸收大氣逆輻射之差影響地面有效輻射因子：地氣溫度差、濕度、云、地表植被地面輻射差額：物體輻射能與支出輻射能的差值。無(wú)其他熱交換方式，輻射差額決定物體溫度的升降。地面輻射差額：獲得能量：太陽(yáng)直接輻射、太陽(yáng)散射輻射、大氣逆輻射失去能量：地面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射、地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射Rg=Qq、Ea-：(Qq)EguRg=(Qq)(1-：)-F0影響地面輻射差額的因子：晝夜變化和季節(jié)變化、地理緯度、地面發(fā)射率大氣輻射差額：獲得能量：太陽(yáng)短波輻射的吸收、地面有效長(zhǎng)波輻射失去能量：大氣上界有效長(zhǎng)波輻射

9、Ra=qaF0-F：一般而言，大氣輻射差額為負(fù)數(shù)，熱量平衡需要其他熱傳輸渠道來(lái)維持，如潛熱輸送地氣系統(tǒng)輻射差額：地面輻射差額與大氣輻射差額之和Rs=RgRa=（Q-q）（1-：）-FoqaF°_F一uRs=（Q-q）（1-：-）-qa-F：.地氣系統(tǒng)輻射差額在不同季節(jié)、不同緯度有正有負(fù)太陽(yáng)短波輻射：總吸收：70%:地表吸收、大氣吸收、云吸收地表吸收：直接發(fā)射到空間、傳導(dǎo)和對(duì)流到大氣、潛熱攜帶到云和大氣、輻射到大氣總反射：30%:地表反射、大氣反射、云反射溫室氣體：水汽、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、臭氧（03）、氯氟煌類化合物（CFCs）、氫代氯氟燒類化合物

10、（HCFCs）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）等等。Q=、Uw大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)、Q-duPdV-CvdTPdv熱力學(xué)第一定律：系統(tǒng)熱量的變化等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化和對(duì)外做功之和:熱力學(xué)定律的（T,V）形式：等容條件下，系統(tǒng)不做功，有:pV=RT熱力學(xué)定律的(T,P)形式：利用狀態(tài)方程得：d(pV)=d(RT)RTpdV=RdT-Vdp=RdT-RTdpP、Q=(CvR)dT-RTdp=CpdT-RT-dp則可得：pp干絕熱過(guò)程：干空氣在狀態(tài)變化的過(guò)程中與外界無(wú)質(zhì)量和熱量交換的過(guò)程。未飽和濕空氣無(wú)相變也可視為干絕熱。可得熱力學(xué)方程：CpddT.RdTdp=0，P將氣

11、體常數(shù)和定壓比容的數(shù)值填入得:TP之一二()，T0P0TpP、0.286(r-=()T0p0干絕熱方程表明，干空氣絕熱過(guò)程中溫度變化的直接原因是氣壓變化:氣壓升高外界對(duì)氣兩邊積分得泊松方程：（二產(chǎn)d=（£）RT0P0塊做功，溫度上升。干絕熱溫度遞減率:*已;黑H98(K/100m)位溫：將任意高度空氣塊按干絕熱過(guò)程移到1000hPa高度上所具有的溫度。TP0.286=()T0p0Let:p0=1000mb一T.p、0.28610000.286_1_T()p凝結(jié)高度：未飽和濕空氣絕熱上升正好達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的高度。凝結(jié)高度上氣塊溫度和露點(diǎn)溫度相等，即：Tc=TdcTdc=Td0-ZcTc

12、=TdcTc=T0一dZc可得:濕絕熱過(guò)程：始終保持飽和狀態(tài)的絕熱過(guò)程，與干絕熱過(guò)程根本區(qū)別是有凝結(jié)潛熱的釋放?？赡鏉窠^熱過(guò)程：凝結(jié)物留在氣塊內(nèi)，下沉?xí)r蒸發(fā)減緩氣塊升溫過(guò)程不可逆濕絕熱過(guò)程（假絕熱過(guò)程）：凝結(jié)物變?yōu)榻邓袈涞孛?，下沉?xí)r按干絕熱過(guò)程增溫。濕絕熱溫度垂直遞減率小于干絕熱。假相當(dāng)溫度9se:濕空氣塊絕熱上升到水汽全部凝結(jié)降落后，再沿干絕熱過(guò)程下降到1000mb時(shí)所具有的溫度。1000mb假濕球溫度&w：氣塊按干絕熱過(guò)程上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱過(guò)程下降到時(shí)所具有的溫度。實(shí)際不存在。se>>T'sw溫度-壓力對(duì)數(shù)圖及應(yīng)用熱力學(xué)圖解設(shè)計(jì)要求：坐標(biāo)為實(shí)際氣象要

13、素或其簡(jiǎn)單函數(shù)，使基本線條呈直線或近似直線；基本線條交角盡可能大；圖上面積應(yīng)與能量成正比坐標(biāo)：橫坐標(biāo)是溫度，縱坐標(biāo)為ln（1000/p）基本線條等溫線、等壓線、等飽和比濕線、露點(diǎn)溫度、干絕熱線、濕絕熱線、溫度層結(jié)曲線、露點(diǎn)層結(jié)曲線、狀態(tài)曲線。確定濕度參量：給出（T,P）點(diǎn)可以得出該點(diǎn)的飽和比濕值qs,讀出（Td,P）所對(duì)應(yīng)的飽和比濕值qst即是與（T,Td,P）相對(duì)應(yīng)的實(shí)際比濕。實(shí)際比濕為露點(diǎn)溫度下的飽和比濕飽和水汽壓：根據(jù)給定的溫度T,找到T對(duì)應(yīng)的等溫線與622mb等壓線的交點(diǎn)，讀出通過(guò)該點(diǎn)的等飽和比濕數(shù)彳1,即為與溫度T對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓。實(shí)際水汽壓：根據(jù)給定的露點(diǎn)溫度Td,找到Td對(duì)應(yīng)的等

14、溫線與622mb等壓線的交點(diǎn)，讀出通過(guò)該點(diǎn)的等飽和比濕數(shù)值，即為與（T,Td）對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓。確定各種特征高度：抬升凝結(jié)高度：通過(guò)（P,T）沿干絕熱上升到與通過(guò)（P,Td）的等飽和比濕線的交點(diǎn)即為凝結(jié)高度。自由對(duì)流高度：氣塊溫度大于環(huán)境溫度的高度確定不穩(wěn)定能量：層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線包圍的面積狀態(tài)曲線位于層結(jié)曲線右邊，算作正面積對(duì)流有效位能是正面積的綜合確定各種溫度參量：位溫：沿干絕熱線移動(dòng)到1000mb處所對(duì)應(yīng)的溫度值。假相當(dāng)位溫：通過(guò)（P,T）按干絕熱上升到達(dá)凝結(jié)高度（上升到與通過(guò)（P,Td）的等飽和比濕線相交），然后按濕絕熱上升直至與干絕熱線近似于平行，然后沿干絕熱線下降到1000mb處的

15、溫度即是。大氣靜力穩(wěn)定度穩(wěn)定氣層：氣層中氣塊受擾后產(chǎn)生一個(gè)垂直位移，氣塊到達(dá)新位置后有返回原來(lái)位置的趨勢(shì)。不穩(wěn)定氣層：氣層中氣塊受擾后產(chǎn)生一個(gè)垂直位移，氣塊到達(dá)新位置后有離開原來(lái)位置的趨勢(shì)。中性氣層：氣層中氣塊受擾后產(chǎn)生一個(gè)垂直位移，氣塊到達(dá)新位置既無(wú)返回原來(lái)位置又無(wú)離開的趨勢(shì)。位勢(shì)不穩(wěn)定包括條件不穩(wěn)定和對(duì)流不穩(wěn)定條件不穩(wěn)定針對(duì)氣塊，對(duì)流不穩(wěn)定針對(duì)氣層條件不穩(wěn)定：當(dāng)?*,對(duì)任何氣層不穩(wěn)定，稱為絕對(duì)不穩(wěn)定氣層；當(dāng)尸mm,對(duì)任何氣層穩(wěn)定，稱為絕對(duì)穩(wěn)定氣層；當(dāng)7m不3,對(duì)未飽和氣層，為穩(wěn)定；對(duì)干飽和氣層，受垂直向上擾動(dòng)為不穩(wěn)定，受垂直向下擾動(dòng)為穩(wěn)定；對(duì)濕飽和氣層，不穩(wěn)定，稱為條件不穩(wěn)定氣層；當(dāng)Y=Y

16、d,對(duì)未飽和氣層為中性；對(duì)濕飽和氣層為不穩(wěn)定；對(duì)干飽和氣層，受垂直向上擾動(dòng)為不穩(wěn)定，受垂直向下擾動(dòng)為中性；當(dāng)對(duì)未飽和氣層為穩(wěn)定；為濕飽和氣層為中性；對(duì)干飽和氣層，受垂直向上擾動(dòng)為中性，受垂直向下擾動(dòng)為穩(wěn)定。氣層不穩(wěn)定能量絕對(duì)穩(wěn)定型：氣塊溫度總小于氣層溫度，在?，攬D上氣層不穩(wěn)定能量為負(fù)絕對(duì)不穩(wěn)定型：氣塊溫度總大于氣層溫度，在?，攬D上氣層不穩(wěn)定能量為正潛在不穩(wěn)定型：真潛不穩(wěn)定型：正面積大于負(fù)面積假潛不穩(wěn)定型：正面積小于負(fù)面積空氣濕度對(duì)氣層穩(wěn)定度的影響：空氣濕度大，則凝結(jié)高度低，構(gòu)成的負(fù)面積就小。對(duì)流不穩(wěn)定：氣層被抬升后出現(xiàn)的不穩(wěn)定開始時(shí)氣塊的上下端都按照干絕熱上升；由于氣層底部濕度較大而先達(dá)到飽和

17、狀態(tài)，按濕絕熱上升，溫度遞減率下降；氣層上部濕度較小仍未飽和，按照干絕熱過(guò)程上升；因?yàn)闅鈮K上下按不同的遞減率上升，導(dǎo)致層結(jié)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致不穩(wěn)定的發(fā)生。有利于位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)建立的有利因素包括：高空干冷空氣平流、低層暖濕氣流、地面輻射加熱。云物理學(xué)基礎(chǔ)成云過(guò)程：水汽的凝結(jié)與過(guò)冷水滴的凝固成云條件：凝結(jié)核（CCN）、水汽過(guò)飽和：最根本條件增大空氣濕度使水汽過(guò)飽和的途徑：降低溫度（主要）、增加水汽使水汽壓增大（次要）降低溫度對(duì)相對(duì)濕度的影響比增加水汽的影響大20倍降溫途徑:熱力對(duì)流：大氣層結(jié)不穩(wěn)定或地面受熱不均勻而產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)；動(dòng)力抬升：暖濕氣流受鋒面、輻合氣流的作用被迫上抬，或在運(yùn)行中受地形阻擋

18、產(chǎn)生上升氣流；云的分類：按云底高度：高云、中云、低云三族低云：積云、積雨云、層云、層積云、雨層云、碎雨云六屬多由微小水滴組成，垂直發(fā)展旺盛中上部有過(guò)冷水滴和冰晶積云：淡積云、碎積云、濃積云積雨云：禿積雨云、鬃積雨云層積云：透光層積云、蔽光層積云、積云性層積云、堡狀層積云、莢狀層積云層云：一般由水滴或過(guò)冷水滴組成。碎層云雨層玄：碎雨云：中云：高層云、高積云兩屬高層云：透光高層云、蔽光高層云高積云：透光高積云、蔽光高積云、積云性高積云、莢狀高積云、絮狀高積云、堡狀高積云高云：卷云、卷層云、卷積云三屬卷云：冰晶組成。毛卷云、密卷云、鉤卷云、偽卷云卷層云：毛卷層云、勻卷層云卷積云：不穩(wěn)定天氣系統(tǒng)。云霧

19、滴的物態(tài)：水霧、水云、冰雹、冰云、混合云、混合霧>-18C-20C水霧< -20C含有冰晶，多為混合霧< -30C多為冰霧云：>0°C水云< 15C0C過(guò)冷水滴組成的水云< 30C-15C混合云< -30C冰云云霧滴的大小：霧滴：1-40um,溫度大于0c時(shí)，霧滴715um,溫度小于0C,2-5um云滴：半徑小云100um水滴，多數(shù)在2-15um雨滴：半徑大于100um數(shù)密度（濃度）：?jiǎn)挝惑w積云體內(nèi)包含的云滴個(gè)數(shù)，用立方厘米有云滴（或霧滴）多少個(gè)來(lái)表不。滴譜：不同半徑云滴的濃度按半徑大小的分布。雨層云滴譜寬，易降水云霧含水量：?jiǎn)挝惑w積空氣中水

20、汽或冰晶的質(zhì)量，單位g/m3云、霧一般溫度越高含水量越高；積狀云含水量一般大于層狀云形成云霧的基本過(guò)程冷卻過(guò)程：絕熱冷卻、平流冷卻、輻射冷卻蒸發(fā)過(guò)程混合過(guò)程：水平混合、垂直混合云霧消散的基本過(guò)程：增高溫度和減小水汽含量霧的分類：氣團(tuán)霧和鋒面霧輻射霧：地面輻射冷卻使貼地氣層變冷而形成的霧平流霧：由于暖濕空氣平流到冷的下墊面上經(jīng)冷卻形成的霧上坡霧：空氣沿地形抬升，絕熱膨脹冷卻形成的霧。氣層要對(duì)流性穩(wěn)定，否則形成對(duì)流云蒸發(fā)霧：冷空氣移經(jīng)到暖水面上，由暖水面蒸發(fā)，水汽達(dá)到飽和凝結(jié)形成的?；旌响F：兩團(tuán)接近飽和的空氣水平混合達(dá)到飽和凝結(jié)成霧溫差大于10C,相對(duì)濕度大于95%。地方性霧：都市霧：多凝結(jié)核鋒面

21、霧：鋒前霧、鋒際霧、鋒后霧水的相變：潛熱：物體在等溫等壓發(fā)生相態(tài)改變所吸收或釋放的能量。（分子熱動(dòng)能及分子間位能）飽和水汽壓和溫度的關(guān)系：隨溫度增高而增大at馬格努斯公式：E=Eo10k,a=7.45,b=235相同溫度下冰面飽和水氣壓小于過(guò)冷水面飽和水汽壓，-12C相差最大；產(chǎn)生“冰晶效應(yīng)”：在由過(guò)冷水滴和冰晶組成的混合云中，如果水汽壓介于冰面飽和水氣壓和過(guò)冷水面飽和水氣壓之間時(shí)，對(duì)過(guò)冷水滴表面水汽未飽和，產(chǎn)生蒸發(fā)使水滴變小，水汽向冰晶轉(zhuǎn)移；對(duì)冰晶表面水汽過(guò)飽和產(chǎn)生凝華，冰晶增大。云滴增長(zhǎng)：凝結(jié)增長(zhǎng)和碰并增長(zhǎng)云滴凝結(jié)增長(zhǎng)：水滴依靠在水汽分子表面凝聚而增長(zhǎng)的過(guò)程內(nèi)部大小云滴、冷暖云滴或冰水云滴共存使水汽從一種云滴轉(zhuǎn)移到另一種云滴上云滴碰并增長(zhǎng)：云滴常處于運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，這使它們可能發(fā)生碰并。大小云滴發(fā)生碰并而合并增大的過(guò)程。重力碰并：在重力場(chǎng)中由于大小云滴速度不同而產(chǎn)生碰并現(xiàn)象碰撞系數(shù)：實(shí)際碰撞的水滴數(shù)與大水滴下降路徑上圓柱體內(nèi)水滴總數(shù)之比合并系數(shù)：碰撞后導(dǎo)致合并的水滴數(shù)目與相碰撞的水滴