大氣科學基礎(chǔ)復習大綱

1、大氣科學基礎(chǔ)復習大綱大氣動力學基礎(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：g _丄5_ P其中"p = _（蘭i 蘭j Mk）dxdycz水平氣壓梯度力：Gh=hp垂直氣壓梯度力：GZ=_S、zP!地轉(zhuǎn)偏向力：C=-2門V科里奧利系數(shù)：f = 21 sin -科里奧利力在各方向的分量:x = 2 A v sin - 2 I】w cosy = - 2 門 u cosz = 2 門 u cos忽略摩擦，標準坐標系的動量方程為:du =-丄主亠 2 ；" ； v sin 斤-2 ；" ； w cos 斗 dt ! .xdvdt連續(xù)方程:dw&am

2、p;-P - 2】u sin 或；-為1印u cosdu.一 1魚-fvdt -_- Xdv _=-丄至.-fudt 'i ' : y簡化后:0 _Ar1;p-g=0+_-V- -7-U- -X-+-Z-.: :?:-?一dt速度散度的意義:1 d_1 d ：dt :- dt單位時間質(zhì)量的變化率:dfdt0，質(zhì)量增加,訂0，質(zhì)量減少,v ： 0,流入輻合'v 0,流出輻散>0，體積增加，可GaO,膨脹輻散 單位時間體積的變化率：dt-0，體積減少，'、v : 0,縮小輻合dt水平速度散度和垂直速度的關(guān)系：dP 小.對不可壓縮大氣有：0，即' v =

3、 0dt史-C 衛(wèi)=0衛(wèi)史.0,水平輻散，衛(wèi)：:：0,垂直速度隨高度減小 ，減弱上升運動J.L、則：txcycz，有 txty(7-史M=-空出：o,水平輻合，M .0,垂直速度隨高度增大 ，加強上升運動x .y:z.x .y:z大氣中的平衡運動：地轉(zhuǎn)風：在水平氣壓梯度力與水平地轉(zhuǎn)偏向力達到平衡的風，無加速度、無摩擦的空氣水平運動梯度風是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三者相平衡時的風。熱成風是上層地轉(zhuǎn)風與下層地轉(zhuǎn)風的矢量差，太陽、地面和大氣的輻射能量的傳遞方式：輻射，傳導，對流輻射：以電磁波傳遞能量的過程輻射能：輻射過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

4、吸收傳來的熱量發(fā)生的輻射微波：1mm1m紅外波段：0.761000um可見光：0.380.76um紫外線：0.0010.38um太陽短波輻射：0.154um地面、大氣長波輻射：3120um輻射通量：單位時間內(nèi)通過空間任一平面的輻射能:dtdP輻射通量密度：單位時間單位面積通過的輻射量:dA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度：單位時間內(nèi)通過垂直于選疋方向上的單位面積（單位立體角）的輻射能:d'J輻射亮度:通過選定方向上單位立體角單位面積的輻射通量：LP或ldIdA coSEWQdA cos'dF = F d，輻射光譜：FF d 0扎太陽常數(shù)：在日地平

5、均距離處大氣上界與太陽光垂直面上的太陽輻照度，1367W/R2物體對輻射發(fā)生反射、投射與吸收黑體：吸收率不隨波長變化，且都等于1,即對入射輻射全部吸收的物體灰體：吸收率不隨波長變化的非黑體。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該波長吸收率的比 值是一個溫度與波長的普適函數(shù)，與物體性質(zhì)無關(guān)。二 Ev(T)KT) Fv，2(T):v1(T)： v.2(T)也可表達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)系起來普朗克定律：絕對黑體的單色輻出度隨波長變化的函數(shù):E(',T) =2hc51h

6、c/，kT對應任一溫度，只有一個峰值，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。維恩位移定律：隨溫度增加輻射能峰值向短波方向移動：.3"0maxt斯蒂芬玻爾茲曼定律：黑體發(fā)射輻射的能力與其絕對溫度的四次方成正比:太陽溫度：約6000K太陽輻射能力對應峰值 0.475um，對應可見光青光太陽輻射：紫外光區(qū)：7% 可見光區(qū)：50% 紅外光區(qū)43%影響大氣上界太陽輻射的因素：日地距離、太陽高度、白晝長度 太陽輻射在大氣中的衰減：大氣對輻射的吸收、大氣對輻射的散射、大氣對輻射的反射。大氣的吸收：太陽輻射因水汽吸收減弱415%大氣

7、對太陽輻射吸收具有選擇性，減弱作用不大；太陽輻射不是大氣主要的直接熱源。大氣的散射：散射：光通過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）：太陽輻射遇到直徑比起波長小的空氣分子發(fā)生的散射。有選擇性， 波長越短散射越強，天空呈藍色是因為輻射中波長短。粗顆粒散射（米散射）：太陽輻射遇到空氣中波長尺度大的顆粒所發(fā)生的散射。無選擇性， 使天空呈灰白色。大氣的反射：無選擇性，反射光呈白色太陽輻射在大氣中的削弱與其經(jīng)過路徑的空氣質(zhì)量有關(guān)，還與大氣透明度有關(guān)到達地面的太陽輻射：直接輻射和散射輻射直接輻射：受太陽高度和大氣透明度影響散射輻射：受太陽高度角，大氣透明度和

8、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)射的長波輻射， 一部分下達地面，一部分周圍大氣吸收， 小部分到達宇宙。 大氣逆輻射：大氣輻射指向地面部分大氣保溫效應：沒有大氣地表均溫255K,實際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：太陽直接輻射、太陽散射輻射、大氣逆輻射失去能量：地面發(fā)射的長波輻射、地面對太陽輻射的反射Rg二Q q、Ea -：

9、（Q q） -EguRg =（Q q）（1-：）-Fo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：太陽短波輻射的吸收、地面有效長波輻射失去能量：大氣上界有效長波輻射Ra =qa& - F ：一般而言，大氣輻射差額為負數(shù)，熱量平衡需要其他熱傳輸渠道來維持，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 =Rg -Ra =（ Q * 4）（1 -）Fo -,-qa - F .F .uRs（ Q q）0 -：） qa -f：.地氣系統(tǒng)輻射差額在不同季節(jié)、不同緯度有正有負太陽短波輻射：總吸收：70%地表吸收、大氣吸收、云吸收地表吸

10、收：直接發(fā)射到空間、傳導和對流到大氣、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）、氯氟烴類 化合物（CFCS、氫代氯氟烴類化合物（HCFCS、氫氟碳化物（HFCS、全氟碳化物（PFCs）、 六氟化硫（SF6）等等。大氣熱力學基礎(chǔ)熱力學第一定律：系統(tǒng)熱量的變化等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化和對外做功之和:pV =RT熱力學定律的（T,P、形式：利用狀態(tài)方程得:熱力學定律的（V）形式：等容條件下，系統(tǒng)不做功，有：g =du PdV二CvdPdvd(pV) =d(RT)RTpdV = RdT -Vdp =

11、 RdTdpP5Q =（Cv +R）dT -RT YpdT -RT則可得：pp干絕熱過程：干空氣在狀態(tài)變化的過程中與外界無質(zhì)量和熱量交換的過程。未飽和濕空氣無相變也可視為干絕熱。可得熱力學方程：CpddT _RdT dP =0，P兩邊積分得泊松方程：（1嚴_（上嚴 t _（_P）鳥（T0）=（豆），TO =（氏）T / P 0.286 （） 將氣體常數(shù)和定壓比容的數(shù)值填入得：ToPo氣壓升高，外界對氣干絕熱方程表明，干空氣絕熱過程中溫度變化的直接原因是氣壓變化: 塊做功，溫度上升。：-1干絕熱溫度遞減率:dTdzgCpd9.811004=0.98( K/100m)位溫：將任意高度空氣塊按干絕熱

12、過程移到1000hPa高度上所具有的溫度。TP .0.286()T0p0Let: P0 =1000mb=匸丄嚴86日 10001000 0.286=v-T( )P凝結(jié)高度上氣塊溫度和露點凝結(jié)高度：未飽和濕空氣絕熱上升正好達到飽和狀態(tài)時的高度。溫度相等，即： 匸=TdcT dc 二 T d 0 -Zc可得：-Tc 二 丁比T。Tcd zcZcT 0 - Td 0濕絕熱過程：始終保持飽和狀態(tài)的絕熱過程，與干絕熱過程根本區(qū)別是有凝結(jié)潛熱的釋放?？赡鏉窠^熱過程：凝結(jié)物留在氣塊內(nèi)，下沉時蒸發(fā)減緩氣塊升溫過程 不可逆濕絕熱過程（假絕熱過程）：凝結(jié)物變?yōu)榻邓袈涞孛?，下沉時按干絕熱過程增溫。濕絕熱溫度垂直遞

13、減率小于干絕熱。假相當溫度 e :濕空氣塊絕熱上升到水汽全部凝結(jié)降落后，再沿干絕熱過程下降到 1000mb時所具有的溫度。假濕球溫度sw :氣塊按干絕熱過程上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱過程下降到1000mb時所具有的溫度。實際不存在。仏> r >2w溫度-壓力對數(shù)圖及應用熱力學圖解設(shè)計要求：坐標為實際氣象要素或其簡單函數(shù)，使基本線條呈直線或近似直線；基本線條交角盡可能大；圖上面積應與能量成正比坐標：橫坐標是溫度，縱坐標為In （1000/p）基本線條等溫線、等壓線、等飽和比濕線、露點溫度、干絕熱線、濕絕熱線、溫度層結(jié)曲線、露點層結(jié)曲線、狀態(tài)曲線。確定濕度參量：給出（T,P）點可以得

14、出該點的飽和比濕值qs，讀出（Td,P）所對應的飽和比濕值qs t即是與（T, T d, P）相對應的實際比濕。實際比濕為露點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對應的等溫線與 622mb等壓線的交點，讀出通過該點的等飽和比濕數(shù)值，即為與溫度T對應的飽和水汽壓。實際水汽壓：根據(jù)給定的露點溫度Td,找到Td對應的等溫線與 622mb等壓線的交點，讀出通過該點的等飽和比濕數(shù)值，即為與（T,T d）對應的飽和水汽壓。確定各種特征高度：抬升凝結(jié)高度：通過（P, T ）沿干絕熱上升到與通過（P, Td ）的等飽和比濕線的交點即為 凝結(jié)高度。自由對流高度：氣塊溫度大于環(huán)境溫度的高度確定不穩(wěn)

15、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：沿干絕熱線移動到1000mb處所對應的溫度值。假相當位溫：通過（P, T ）按干絕熱上升到達凝結(jié)高度（上升到與通過（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)生一個垂直位移，氣塊到達新位置后有返回原來位置的趨勢。不穩(wěn)定氣層：氣層中氣塊受擾后產(chǎn)生一個垂直位移，氣塊到達新位置后有離開原來位置的趨 勢。中性氣層：氣層中氣塊受擾后產(chǎn)生一個垂直位移，氣塊到達新

16、位置既無返回原來位置又無離開的趨勢。位勢不穩(wěn)定包括條件不穩(wěn)定和對流不穩(wěn)定條件不穩(wěn)定針對氣塊，對流不穩(wěn)定針對氣層條件不穩(wěn)定：當 d，對任何氣層不穩(wěn)定，稱為絕對不穩(wěn)定氣層；當；：' 'm，對任何氣層穩(wěn)定，稱為絕對穩(wěn)定氣層；當m ：: d ,對未飽和氣層，為穩(wěn)定；對干飽和氣層，受垂直向上擾動為不穩(wěn)定，受垂直向下擾動為穩(wěn)定；對濕飽和氣層，不穩(wěn)定，稱為條件不穩(wěn)定氣層；當 =d，對未飽和氣層為中性；對濕飽和氣層為不穩(wěn)定；對干飽和氣層，受垂直向上擾動為不穩(wěn)定，受垂直向下擾動為中性；當咐二；'m，對未飽和氣層為穩(wěn)定；為濕飽和氣層為中性；對干飽和氣層，受垂直向上擾動為中性，受垂直向下擾動

17、為穩(wěn)定。氣層不穩(wěn)定能量絕對穩(wěn)定型：氣塊溫度總小于氣層溫度，在?，攬D上氣層不穩(wěn)定能量為負絕對不穩(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：正面積大于負面積假潛不穩(wěn)定型：正面積小于負面積空氣濕度對氣層穩(wěn)定度的影響：空氣濕度大，則凝結(jié)高度低，構(gòu)成的負面積就小。對流不穩(wěn)定：氣層被抬升后出現(xiàn)的不穩(wěn)定開始時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到飽和狀態(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，按照干絕熱過程上升；因為氣塊上下按不同的遞減率上升，導致層結(jié)發(fā)生變化，最終導致不穩(wěn)定的發(fā)生。有利于位勢不穩(wěn)定層結(jié)建立的有利因素包括：高空

18、干冷空氣平流、低層暖濕氣流、地面輻射 加熱。云物理學基礎(chǔ)成云過程：水汽的凝結(jié)與過冷水滴的凝固成云條件：凝結(jié)核（CCN、水汽過飽和：最根本條件增大空氣濕度使水汽過飽和的途徑：降低溫度（主要）、增加水汽使水汽壓增大（次要）降低溫度對相對濕度的影響比增加水汽的影響大20倍降溫途徑：熱力對流：大氣層結(jié)不穩(wěn)定或地面受熱不均勻而產(chǎn)生上升運動；動力抬升：暖濕氣流受鋒面、輻合氣流的作用被迫上抬，或在運行中受地形阻擋產(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)展旺盛中上部有過冷水滴和冰晶積云：淡積云、碎積云、濃積云積雨云：禿

19、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：一般由水滴或過冷水滴組成。碎層云雨層云：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)。云霧滴的物態(tài)：水霧、水云、冰雹、冰云、混合云、混合霧霧：>18° C20° C水霧< 20° C含有冰晶，多為混合霧< 30° C多為冰霧云：&

20、gt; 0 ° C水云15° C0 ° C 過冷水滴組成的水云30° C15° C混合云< 30° C冰云云霧滴的大小：霧滴：1-40um，溫度大于 0C時，霧滴 7 15um 溫度小于 0C, 2 5um云滴：半徑小云 100u m水滴，多數(shù)在 2-15um雨滴：半徑大于 100um數(shù)密度（濃度）：單位體積云體內(nèi)包含的云滴個數(shù)，用立方厘米有云滴（或霧滴）多少個來表示。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：單位體積空氣中水汽或冰晶的質(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

21、般大于層狀云形成云霧的基本過程冷卻過程：絕熱冷卻、平流冷卻、輻射冷卻蒸發(fā)過程混合過程：水平混合、垂直混合云霧消散的基本過程：增高溫度和減小水汽含量霧的分類：氣團霧和鋒面霧輻射霧：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。氣層要對流性穩(wěn)定，否則形成對流云蒸發(fā)霧：冷空氣移經(jīng)到暖水面上，由暖水面蒸發(fā)，水汽達到飽和凝結(jié)形成的?；旌响F：兩團接近飽和的空氣水平混合達到飽和凝結(jié)成霧溫差大于10C，相對濕度大于95%地方性霧：都市霧：多凝結(jié)核 鋒面霧：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

22、吸收或釋放的能量。（分子熱動能及分子間位能）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 二 EqIO，a=7.45，b=235相同溫度下冰面飽和水氣壓小于過冷水面飽和水汽壓，-12 C相差最大；產(chǎn)生“冰晶效應”：在由過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冷水面飽和水氣壓之間時，對過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；對冰晶表面水汽過飽和產(chǎn)生凝華，冰晶增大。云滴增長：凝結(jié)增長和碰并增長云滴凝結(jié)增長：水滴依靠在水汽分子表面凝聚而增長的過程內(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：云滴常處于運動當中， 這使它們可能發(fā)生碰并。 大小云滴發(fā)生碰并而合并增 大的過程。重力碰并：在重力場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)