大气科学基础总复习

1、大气科学基础大气科学基础总复习总复习 大气科学基础大气科学基础 大气圈的基本结构大气圈的基本结构 大气演变的描述大气演变的描述 气象要素气象要素 大气内最基本的热力、大气内最基本的热力、 动力及相态变化过程动力及相态变化过程 静力平衡和地转运动静力平衡和地转运动 大气热力学大气热力学 辐射过程辐射过程 大气水分的相态变化大气水分的相态变化 第一章第一章 大气概述大气概述 第二章第二章 气象要素的特征、变化和分布气象要素的特征、变化和分布 第三章第三章 大气静力学大气静力学 第四章第四章 大气热力学基础大气热力学基础 第五章第五章 太阳、地面和大气的辐射太阳、地面和大气的辐射 第六章第六章 水份

2、相态变化及饱和计算水份相态变化及饱和计算 第一章第一章 大气概述大气概述 l大气圈的组成大气圈的组成 基本情况以及温室气体基本情况以及温室气体 l大气圈的结构大气圈的结构 垂直分层以及各层的特点垂直分层以及各层的特点 第二章第二章 气象要素的特征、变化和分布气象要素的特征、变化和分布 l 影响温度变化的因子（辐射加热、潜热加热以及与周围影响温度变化的因子（辐射加热、潜热加热以及与周围 的热量交换）的热量交换） l温度的时间演变特征温度的时间演变特征 l温度的空间分布特征温度的空间分布特征 温度温度 l大气中常见的气压型大气中常见的气压型 l全球气压分布的基本特征全球气压分布的基本特征 气压气压

3、 l 影响风的因子（科氏力、地转风、摩擦力的作用等）影响风的因子（科氏力、地转风、摩擦力的作用等） l山谷风和海陆风山谷风和海陆风 l全球风系（及其与气压型的联系）全球风系（及其与气压型的联系） 风风 水汽、云、降水及能见度水汽、云、降水及能见度 第三章第三章 大气静力学大气静力学 l大气静力学方程大气静力学方程 静止大气中的力（重力和重力位势）静止大气中的力（重力和重力位势） 静力学方程静力学方程 l压高公式压高公式静力学方程的积分形式静力学方程的积分形式 均质大气、等温大气、多元大气以及标准大气均质大气、等温大气、多元大气以及标准大气 压高公式的应用（计算不同高度的气压、天气系统的垂直结构

4、压高公式的应用（计算不同高度的气压、天气系统的垂直结构 l静力稳定度静力稳定度 条件不稳定和对流不稳定条件不稳定和对流不稳定 第四章第四章 大气热力学基础大气热力学基础 l热力学第一定律热力学第一定律 first law of thermodynamics: q = u + w heat transfer change in work done internal energy vv dt q c)( dtcdu dt du c dupdvduq v vv )( 等容过程系统不作功等容过程系统不作功 pdvdtcpdvduq v p dp rtdtc p dp rtdtrcq pv )( 热力学

5、定律的热力学定律的 (t,p) 形式形式 热力学定律的热力学定律的 (t,v) 形式形式 0 p dp trdtc dpd pdd cr dpd p p d t t pd p p t t p p r t t c p dp r t dt c )( lnln 00 00 00 泊松泊松(poisson)方程方程 l干空气和未饱和湿空气的绝热过程干空气和未饱和湿空气的绝热过程 l位温位温 286.0 286.0 0 286.0 00 ) 1000 ( ) 1000 ( 1000: )( p t pt mbplet p p t t 干绝热过程位温守恒干绝热过程位温守恒 气块得到热量时位温升高气块得到热

6、量时位温升高 l饱和湿空气的绝热过程饱和湿空气的绝热过程 l始终保持饱和状态的绝热过程，称为湿绝热过程始终保持饱和状态的绝热过程，称为湿绝热过程 l湿绝热过程与干绝热过程的根本区别就是湿绝热湿绝热过程与干绝热过程的根本区别就是湿绝热 过程有凝结潜热的释放过程有凝结潜热的释放 l可逆湿绝热过程可逆湿绝热过程凝结物留在气块内，下沉时凝结物留在气块内，下沉时 蒸发减缓气块的升温过程蒸发减缓气块的升温过程 l不可逆湿绝热过程不可逆湿绝热过程凝结物全部变为降水掉到凝结物全部变为降水掉到 地面，使下降时气块按干绝热过程增温。又称为假地面，使下降时气块按干绝热过程增温。又称为假 绝热过程绝热过程 l假相当温

7、度和假湿球温度假相当温度和假湿球温度 假相当温度假相当温度se湿空气块绝热上升到水汽全部凝湿空气块绝热上升到水汽全部凝 结降落后，再沿干绝热过程下降到结降落后，再沿干绝热过程下降到1000mb时所具时所具 有的温度。假相当温度不仅考虑了气压变化对气温有的温度。假相当温度不仅考虑了气压变化对气温 的影响，还考虑了水汽凝结潜热对气温的影响。的影响，还考虑了水汽凝结潜热对气温的影响。 假湿球温度假湿球温度sw气块沿干绝热过程上升到凝结气块沿干绝热过程上升到凝结 高度后，再沿湿绝热过程下降到高度后，再沿湿绝热过程下降到1000mb时所具有时所具有 的温度。实际不存在，设想下降过程中外界不断有的温度。实

8、际不存在，设想下降过程中外界不断有 水汽补充以供蒸发，使气块始终保持饱和状态其目水汽补充以供蒸发，使气块始终保持饱和状态其目 的是最大限度地考虑蒸发耗热对温度的影响。的是最大限度地考虑蒸发耗热对温度的影响。 设设850mb等压面某处的气温为等压面某处的气温为100c，露点温度为，露点温度为50c ，请问它所对应的，请问它所对应的、 se以及以及sw哪个最大？哪个最小？哪个最大？哪个最小？ l温度温度-压力对数图及应用压力对数图及应用 l确定湿度参量确定湿度参量 l确定抬升凝结高度确定抬升凝结高度 l自由对流高度自由对流高度 l确定位温和假相当位温确定位温和假相当位温 l分析大气稳定度分析大气稳

9、定度 l分析云底高度分析云底高度 l分析云顶高度和云顶温度分析云顶高度和云顶温度 l分析降水类型分析降水类型 l分析锋区分析锋区 l分析风的垂直切变分析风的垂直切变 层结曲线层结曲线 状态曲线状态曲线 凝结高度凝结高度 湿绝热过程湿绝热过程 干绝热过程干绝热过程 t 自由对流高度自由对流高度 对流上限对流上限 t-lnp图上层结曲线与状态曲线图上层结曲线与状态曲线 lnp 第五章第五章 太阳、地面和大气的辐射太阳、地面和大气的辐射 辐射的度量辐射的度量 l辐射通量辐射通量)(w dt dq p l辐射通量密度辐射通量密度 da dp f l辐射强度辐射强度 d dp i l辐射亮度辐射亮度 指

10、通过某一选定方向上，单位立体角中单位面积的辐射通量。指通过某一选定方向上，单位立体角中单位面积的辐射通量。 dda pd tzyxl cos ),( 2 辐射光谱辐射光谱 d ff 0 1/qqqqqq l物体对辐射的反射、透射和吸收物体对辐射的反射、透射和吸收 l黑体黑体 辐射的基本定律辐射的基本定律 lkirchhoffs laws 任一物体的单色辐射能力与物体对该波长的吸收率之比值，是一个温度与波任一物体的单色辐射能力与物体对该波长的吸收率之比值，是一个温度与波 长的普适函数，而与物体的性质无关。或者：任何物体的辐射能力与其吸收率之长的普适函数，而与物体的性质无关。或者：任何物体的辐射能

11、力与其吸收率之 比等于相同温度下的黑体辐射能力。比等于相同温度下的黑体辐射能力。 )( )( )( )( )( 2 2 1 1 te t tf t tf v v v v v lplanck radiation law 黑体辐黑体辐 射能力射能力 对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温 度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度 （即曲线下的面积）。（即曲线下的面积）。 单色辐射出射度和辐射出射度均

12、随温度的升高而增大。单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动 lthe wien and stefan-boltzmann laws 太阳辐射太阳辐射 太阳光谱和太阳常数太阳光谱和太阳常数 在日地平均距离的条在日地平均距离的条 件下，在地球大气上件下，在地球大气上 界，垂直于太阳光线界，垂直于太阳光线 的单位面积上，在单的单位面积上，在单 位时间内所接受的太位时间内所接受的太 阳辐射能量，就称为阳辐射能量，就称为 太阳常数。太阳常数。 太阳的全部辐射能中，波长在太阳的全部辐射能中，波长在 0.

13、15-4.00微米之间的占微米之间的占99%以以 上。紫外光区（上。紫外光区（0.76微米）占微米）占43%。 因此，太阳辐射被称为短波辐射。因此，太阳辐射被称为短波辐射。 到达大气上界的太阳辐射到达大气上界的太阳辐射 日地距离因子的影响日地距离因子的影响 太阳高度的影响太阳高度的影响 白昼长度的影响白昼长度的影响 到达地面的辐射到达地面的辐射 大气的吸收大气的吸收 大气的散射大气的散射 大气的反射大气的反射 地面和大气辐射地面和大气辐射 大气对长波辐射的大气对长波辐射的 吸收吸收 大气逆辐射和地面大气逆辐射和地面 有效辐射有效辐射 射出长波辐射射出长波辐射 辐射差额辐射差额 地面辐射差额地面

14、辐射差额 地面获得的能量地面获得的能量太阳直接辐射、太阳散射太阳直接辐射、太阳散射 辐射、大气逆辐射辐射、大气逆辐射 地面失去的能量地面失去的能量地面发射的长波辐射、地地面发射的长波辐射、地 面对太阳辐射的反射面对太阳辐射的反射 0 )1)( )( fqqr eqqeqqr g gag 影响地面辐射差额的因子： l昼夜变化和季节变化 白天为正，夜晚为负；夏季为正，冬季为负。 l地理纬度 低纬度以及大部分中高纬度地区为正，极区为负。 l地面反照率 反照率大的地方为负 大气辐射差额大气辐射差额 大气获得的能量： 1. 太阳短波辐射的吸收 2. 地面有效长波辐射 大气失去的能量 1. 大气上界的有效

15、长波辐射 ffqr aa0 一般而言，整层大气的辐射差额为负值，大气的热量平衡要依靠其 它的热传输渠道来维持，如：潜热输送等。 因此，大气辐射差额为 地地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额 如果把地面和大气看做一个整体，其辐射能的净收入为地面辐射差额 与大气辐射差额的总和： fqqqr ffqfqqrrr as aags )1)( )1)( 00 （ （ l地-气系统的辐射差额在不同的季节可 以有正有负 l地-气系统的辐射差额在不同的纬度可 以有正有负（以35度为界线） 赤道地区全年为正，两极全年为负，其余大 部分地区夏季为正，冬季为负 l对整个地-气系统来说，其辐射差额多 年平均值为0 太阳短波辐射 100 地表吸收 51 大气吸收 16 云吸收 3 大气反射 6 云反射 20 地表反射 4 总吸收 70 总反射 30 global radiation budget shortwave cascade incoming solar radiation 100% (1365 w/m2) global radiation budget longwave cascade 70% 地表吸收 5