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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 主要学问点. 抱负气体状态方程. 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. 大气吸取谱与大气窗区. 云对地球辐射的影响.
2、 Chapman 机制、催化损耗循环、南极臭氧损耗机制、北极何时显现臭氧洞. 边界层、地表能量平稳、地表水平稳. 静力稳固度、动力不稳固. 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、对流层顶分布特点. 热带对流层顶层其次讲大气科学讨论手段. 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、理论讨论多、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
3、（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）关于探测的一些留意事项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说明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全部大气现象；流体力学、热力学、电磁学名师归纳总结 .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）第 1 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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
4、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、气候猜测水平；大气物理学讨论特点 试验科学,探测（试验）才能 讨论水平 . 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.试验室试验：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；. 在每一个领域,我们对最基本问题所涉及的物理原理都有很好的熟悉；. 但是,单独熟悉这些物理原理并不能保证对所
5、观测到的大气现象有充分的熟悉,这是 由于这些现象本质上是很复杂的,是各种物理过程之间错综复杂的相互作用的结果；另外,这些作用跨过很大的时间空间尺度,很多小尺度过程对大尺度过程有显著的群 体效应（例如云滴的群体相互作用对云生命期的影响,云的演化对天气进展的影响,天气进展对气候的影响）；几个重要概念.能量收支： 温室气体、反照率（冰雪）、云、气溶胶.水循环： 蒸发、降水、径流.碳氮循环： 排放、光合、源汇.多尺度、相互作用、非线性、复杂.参数化.非匀称： 植被、城市化、沙漠绿洲、水面.复杂地势： 深大地势.边界： 地表、边界层顶、对流层顶云的形成 抱负气体状态方程：是描述抱负气体在处于平稳态时,压
6、强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程；pV=mRT,R 是摩尔气体常数,取决于所考虑的气体；气体密度 =m/V,就 p= RT 阿伏伽德罗假设：含有相同分子数的气体在相同温度和压强下体积相同；气体摩尔数n=m/M（分子量）,普适气体常数R*=R/M ,就 pV=nR*T,R*=8.3145J K1 mol1；绝热过程与位温：气体从原有的压强与温度动身,绝热膨胀或压缩到标准压强时 比较不同气压下的气体热状态；1000mb 的温度；可用来泊松方程 =Tp0/pR/cp,cp 是气体定压比热,对于干空气而言,R/cp 0.286；干绝热温度递减率：dT/dz=g/c p=d,9.8 C/km；饱
7、和水汽压：一个密封的盒子装有温度为T（假设维护不变）的纯水；假设初始盒子中空气完全是干燥的,水将开头蒸发；在蒸发过程中,盒子中的水分子数增加,从而导致水汽 压增加；当水汽压不断增加时,水汽分子返回液态水面的速率也会增加；假如,返名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 回速率低于蒸发速率,就盒子中的空气是未饱和的；当盒子中的水汽压增加到肯定程度,返回率等于蒸发率,就盒子中的空气相对于温度为 时水汽压强 es称为温度 T 时纯水面上的饱和水汽压；饱和水汽压公式：T 的纯水面是饱和的；此水汽压随温度非线性变化,满意克劳修斯-克拉
8、伯龙（ Clausius-Clapeyron）关系；饱和水汽压、蒸发比潜热、水汽气体常数August-Roche-Magnus 近似表达式：T 摄氏度冰面饱和水汽压：假如把水换成温度为T 的冰面, 当返回率等于蒸发率时的水汽压esi 称为温度为T 时的冰面饱和水汽压；esi 与 esi 是温度 T 的函数,也受液（或冰）面外形影响；在任何温度下,冰的蒸发率都小于水的蒸发率,因此 esTesiT；随着温度增加, 水分子脱离水面或冰面的速率增加,esesi 的大小在 12 C左右达到最大；因此,es 与 esi 都随温度增加；所以,假如冰晶粒子处于水面饱和空气,水汽分子将沉积在冰晶粒子上,从而会增
9、 长；湿度表达方式比湿：单位质量空气（干空气 +水汽）中水汽质量 mv 所占的比例,称作比湿 q 相对湿度 （液面）,空气相对湿度定义为空气中水汽分压与空气温度饱和水汽压（液 面）之比,露点与霜点名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 露点（ dew）Td：是在维护空气气压不变的情形下,把空气冷却到相对于纯水面（平 面）来说达到饱和时的温度；霜点（ frost）Tf：是不转变气压条件下,把空气冷却到相对于纯冰面（平面）为饱和 时的温度；饱和绝热与假绝热气块上升时,温度以干绝热递减率降低,直到气块达到水汽饱和为止；再上升液态
10、水（或冰晶）凝结（或凝华）,释放潜热,就气块温度递减率变小；假如全部凝成物保留在上升气块内,假如所释放潜热没有流出该气块,就该过程可 视为绝热的（可逆的） ,即饱和绝热过程；但是,假如全部凝成物都掉出气块,就这一过程是不行逆的,就气块经受了一次假 绝热过程；饱和绝热递减率与假绝热递减率基本相同；抬升凝结高度（Lifted condensation level ）干绝热上升,气温下降,RH 增大,由于空气中水汽含量不变（比湿）,而饱和水汽压随温度指数下降；假如气块到达 对于从地面机械抬升过程而言,静力稳固度 气块温度小于环境温度LCL,就气块中水汽开头凝结,形成云滴；LCL是云底高度很好的近似；
11、自由对流高度（Level of Free Convection）气块温度等于环境温度,气块饱和,凝结 平稳高度 EL（气块温度等于环境温度）理论上, EL是该环境条件下雷暴可达到的最大高度（环境空气夹卷）可用来预报雷达观测到的雷暴高度 浮力能量负阴影区面积为负浮力能量（CIN）,是气块要到达LFC必需克服的能量；它是低层大气中垂直上升运动的环境阻力；正阴影区面积是正浮力能量,上升气块可加速到达EL并维护雷暴； 也称为对流有效位能 CAPE （Convective Available Potential Energy ）；EL垂直速度：对于某一给定环境,负面积越小、正面积越大,就雷暴越易形成且强
12、大；当盖子一 掀开,位能快速转变成动能,加速气块向上运动,上升速度有时可达 50m/s ；探空数据可以实时用斜温度对数压力图（估量雷暴发生的可能性；如何增加浮力能量？Skew-T）显示,并标出正面积和负面积,假如在地面加热或增湿,负面积将减小；假如在 LFC上方有冷空气侵入（例如急流 邻近常显现的） ,正面积将增大；从下面加热或从上面冷却的过程都将刺激和加强雷暴的进展；增加浮力能量的方式 日变化 假设午后地面温度上升而露点不变,就干绝热线向上抬,而等混合比线不变；两线相交得到一个新的LCL,比早晨的要高, 即积云底上升； 因此夏季, 早晨的云底距离地面较近,而下午要高一些；在 LCL之上,沿着
13、湿绝热线连续抬升气块,与温度廓线相交,得到一个新的 LFC；新 的负面积较之前要小,意味着地面加热使得阻力减弱,只需要少量的能量就可以让 气块到达 LFC；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 假如气块连续上升,就在LFC之上温度沿着湿绝热线变化,直至EL,留意正面积大于之前面积；因此,地面及热不仅减小了阻力使得深对流简单启动,而且也增大了 CAPE,使得深 对流变强；Skew-T分析从温度、露点（湿度）与能量角度说明了,为什么雷暴简单发生在下午 地面空气最热时,且最强；雷暴形成的三要素雷暴形成必需满意三个要素：湿度、不
14、稳固、垂直上升运动；在斜温图上,湿度可 通过露点和混合比估量；不稳固度打算于 温度递减率和正面积大小；要形成深对流雷暴,气块必需到达 LFC；需要某种外部过程把气块抬升到 LFC,这就 需要考查斜温图以外的天气条件；常见的抬升源包括冷锋、海风、地势抬升、其他 雷暴引起的阵风、强地表加热产生空气热泡；外源强迫必需供应克服斜温图中负面 积所需的能量；预估白天浮力能量 通常早晨的探空资料会显示,在地面之上存在一个温度逆温（即温度随高度增加）,这是由于夜间地面冷却造成的；假设白天加热会驱散早晨逆温,我们可以估量白天温度廓线,从而估量负面积和正 面积大小；最常用的方法是, 第一估量地面温度, 再向上沿着
15、干绝热线,直到与早晨廓线相交；预估白天浮力能量对于湿度来说,在安静凉快的早晨,露点通常接近于最低温度,夜晚蒸发的水汽在 地面逆温层积累；白天空气加热,水汽在加热层（地面温度干绝热线与环境温度廓 线的交点）内混合；常用平均法来代表加热层内湿度；如用露点廓线最低 100mb 层 的平均混合比,即画一条平行于混合比的线,是两边面积相等；气块上升时, 用地面温度干绝热线及平均混合比线,相交点称作对流凝结高度（CCL）,而不是 LCL；原理一样,唯独区分是 CCL是一层的平均,而 LCL是只由地面值得到；依据不同的情形,气象学家采纳 预估白天浮力能量CCL或 LCL来猜测云底高度；可以依据探空廓线来估量
16、需要多少地表加热来排除稳固边界层；“对流温度 ” 是指,要排除温度廓线中逆温层,地表空气块必需加热达到的温度；确 定该温度需要分两种情形；一、假如通过地表露点的饱和混合比线与实际环境温度 廓线的相交点位于逆温层顶或之上；二、假如通过地表露点饱和混合比线位于逆温 层之下；预估白天浮力能量 步骤一：找出通过早晨地表露点的饱和混合比线,向上画直至与温度廓线相交,该 CCL）；交点位于逆温层顶或之上,就该点称为对流凝结高度（CCL 是当地表气块加热到对流温度（对流温度是指地表空气加热到肯定不稳固的最 低温度）时,对流云底显现的高度；CCL是 LCL与 LFC的一种组合； 对流温度是加热地表气块从而排除
17、逆温,显现肯定不 稳固的温度；预估白天浮力能量 假如通过地表露点的饱和混合比线与温度廓线的交点文娱逆温层之下,就怎么办？预估白天浮力能量名师归纳总结 1.通过地表露点画饱和混合比线；第 5 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.通过逆温鼻尖画湿绝热线并延长,直至与饱和混合比线相交,就交点为CCL；3.从 CCL向下画干绝热线至地面,得到对流温度；EL 层内运算；4.向上延长湿绝热线至新的EL,就新的 CAPE可从逆温层鼻尖至“降水”可能是：1. 雨2. 雪3. 雹4. 其他然而,必需是到达地面；否就,称为“ 雨幡 virga ” 较重的水
18、凝物掉出云底,但在到达地面之前蒸发了；水凝物（ Hydrometeors ）大小：云滴大小比雨滴要小几百倍,质量小百万倍；掌握水凝物增长的三个过程1. 核化（ Nucleation ）：水汽在云凝结核（CCN）上凝结或沉积；可以是“ 均质 homogeneous” 或 “ 异质 heterogeneous ”均质核化：发生完全干净的空气中在实际大气中是不行能的“异质核化”空气中的杂质使得凝结或沉积简单发生云凝结核（ Cloud Condensation Nuclei, CCN）,大气中含量特别丰富2 扩散：水汽向云滴的输送3 碰撞：小云滴粘在的一起的增长凝结与蒸发每个水凝物都同时存在两个过程：
19、1. 水汽分子不断地凝结到水滴2. 水分子不断地从水滴蒸发出来水滴要增长,凝结过程必需比蒸发过程要快得到！掌握蒸发速率的两个效应1. 曲率效应2. 溶质效应“曲率效应 Curvature Effect”小水滴半径小或曲率半径小大水滴曲率半径大平面曲率半径无穷大随着曲率半径的减小蒸发速率增加！由于小水滴蒸发速率快,因此很难增长！“溶质效应（ Solute Effect）”溶液比纯水蒸发要慢很多 CCN溶解于云滴,形成溶液小水滴溶液浓,而大水滴比较稀释因此,小水滴比大水滴蒸发要慢,打算于曲率效应与溶质效应之间的平稳Kohler Equation 把曲率效应和溶质效应结合在一起得到方程名师归纳总结
20、- - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - * e s1exp0.3335K -1mimsTRe s4. 3x1012m3gMsR3方程左边是相对湿度方程右侧分子是曲率效应T=温度（ K）R=水滴半径（微米）右侧分母是溶质效应：Kohler 曲线Graphs of the Kohler equation are called “Kohler Curves” .Well discuss plenty of examples now.纯水的 Kohler 曲线盐 CCN的 Kohler 曲线第三讲云微物理过程. 这些过程包括：核化：水汽核化成水滴和冰晶扩散增长：云滴（凝结 condensation ）与冰晶（沉积 deposition ）的扩散增长捕捉过程（ collection ）：云滴（碰撞 -合并 collision -coalescence ）、冰晶（凝结aggregation ）、冰与水（淞结riming ）的捕捉过程形成降水粒子名师归纳总结 粒子的平流（advection ）与沉降（ sedimentation ）第 7 页,共 7 页云和降水粒子的蒸发（evaporation ）、升华（ sublimation ）、融解 melting - - - - - - -