大气物理学概述

1大气物理学2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3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4大气物理学一、定义主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。二、分支大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学51）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶~20世纪中叶）大气物理学发展简史1752，美国Franklin第一次用风筝探明雷击的本质就是电。1871，英国物理学家Rayleigh解释了天空兰色的现象61908，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MaxKarlErnstLudwigPlanck（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72）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I.Langmuir,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，推动了大气辐射学的研究8第一节宇宙、地球、大气的起源和演化

910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，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow

和他的学生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（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。11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。12膨胀理论上世纪70年代，美国科学家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文学家AndreasLinde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。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。13膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离14宇宙无限论：有限无界论：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。1917年，AlbertEinstein在广义相对论的基础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体积是有限，是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面运动总是遇不到“边”。该理论拉开了现代宇宙学研究的序幕。15二、地球与宇宙银河系中心银河系与河外星系16太阳系172006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。181920212223242526地球形成50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。272829303132第二节大气组成一、气体成分33第二节大气组成一、气体成分90km以上大气1）空气分子大部分都发生离解；2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量（或原子量）大小排列。从低层到高层依次为N2、O、He、H34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35

2）按浓度主要气体：浓度≥1%，包括N2、O2、Ar微量气体：1ppm—1%，包括CO2、CH4、Ne、He、

Kr、水汽（2ppm—4%痕量气体：＜1ppm，包括（见表）3637大气的组成饼图一些概念38干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的大气平均分子量：90km以下，空气平均分子量为28.966，不随高度变化空气密度：标准状态（p=1013.25hPa,t=0℃）下，干空气密度为1.29kg/m3394、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、O3a)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。4041地表上的水–全球年水量平衡42b)

CO2c)

O3

43ThecurrentconcentrationofCO2isabout365ppm(partpermillion),ascomparedtothepre-industrialconcentrationofabout285ppm.Thisisanincreaseofabout28%.Thisincreaseisprimarilyduetotheburningoffossilfuels(alsosomelossofbiomass)44Fig.1-4,p.745Fig.1-3,p.646Increaseincatastrophicfloodevents47Globalaveragesealevelhasrisenandoceanheatcontenthasincreased48IncreaseinfrequencyandintensityofdroughtsSource:OSTP49Snowcoverandiceextenthavedecreased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5152DMS(aq)DMS(gas)CCN增加云对阳光的反照率进入地球表面的辐射减少影响浮游生物产生DMS的过程

温度下降海-气输送化学氧化++++--+/-?+/-?535455565758历年的南极臭氧5960紫外辐射的波段、人体健康影响和臭氧层的吸收作用紫外辐射区波长范围/nm人体健康影响O3层吸收情况UV-A315~400促进维生素D的合成基本不吸收UV-B280~315损害蛋白质和DNA吸收大约90％UV-C200~280可致蛋白质和DNA破坏，造成严重伤害作用全部吸收616263646566676869707172737475全球年总降水量=500000km3全球年总蒸发量=500000

km3陆地年总降水量=110000km3陆地年总蒸发量=70000

km3

余40000km3

76三、大气气溶胶粒子1、定义：尺度范围：1nm-100μm

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。772、分类1）云降水学分类（按半径分类）

2）大气环境学分类

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。TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、灰霾、等。783、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79802）汇即气溶胶粒子被移出大气的过程。按是否有水质粒参与，分为干移出、湿移出。81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。824、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（cloudcondensationnuclei)或IN(icenuclei)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。

833）对大气光学特性的影响；对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。844）对大气电学特性的影响气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子，由于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减小+++++++++++++++----------------------------晴天大气地面正离子负离子855）在大气化学过程中的作用。气溶胶粒子在大气的许多化学过程中起作用。86第三节大气的垂直结构大气上界：物理现象上界为1200km(极光出现高度）；大气密度上界为2000~3000km(接近于星际气体密度1个/cm3的高度）分层标准：（1）按温度随高度的变化

（2）按大气成分是否混合均匀（或称按空气平均分子量随高度变化）分：均匀层、非均匀层87（3）按电离状况分（4）按O3浓度分：臭氧层（10~50km)非臭氧层（5）按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分一、按温度随高度的变化

分为对流层、平流层、中层、热层、外层88891、对流层（12km以下）在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。特点：901)、温度随高度的增加而降低，气温递减率Γ为6.5℃/km定义气温递减率Γ：高度每升高单位高度气温降低的度数。2)、对流层中的垂直运动显著。3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽914)、云雾降水均发生在此层5)、受地表影响最强烈，空气属性的水平分布很不均匀922、平流层（12km~55km)1)25km以下温度递减率接近零，25km以上温度随高度明显增加2)平流层气流运动主要以水平运动为主.3)水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。4）大气污染物进入平流层后能长期存在933、中层（~85km)1）层内温度随高度增加而下降2）空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对流层或上对流层。944、热层（~550km)1)温度随高度增加而上升2)高度电离。3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。955、外层（~大气上界）2）大气成分可以散逸到星际空间。1）随高度升高气温增加不显著96二、按电离状况分地壳和大气中的放射性物质主要对低层大气的电离起作用，而它们的作用较弱，而宇宙线和太阳紫外线辐射对高层大气起作用，且作用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层高，据此分为中性层（60km以下)电离层（60km以上）97三、按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分1、非磁层（500km以下）由于空气较稠密，带电粒子的运动主要受粒子间的碰撞支配2、磁层（500km以上）本层内存在大量带电粒子，空气又稀薄，粒子间碰撞稀少，所以，带电粒子的运动主要受地磁场控制98第四节主要气象要素气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风一、气温1、定义：表示空气冷热程度的物理量2、温标摄氏温标华氏温标绝对温标单位℃°FK常用符号tFT99关系：3、观测地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶箱里的气温100101102103世界上的极端气温104气温的日变化气温的日变化主要受地表日夜温差的影响，而地表温度的日变化和入太阳辐射以及出地球能量两者差值有关。105二、气压1、定义：大气压力2、单位：国际单位帕（Pa)

气象上常用百帕（hPa）

标准大气压=1013.25hPa3、测量：106107108109110111112VerticalPressureDistribution113三、空气湿度1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。2、水汽达饱和3、湿度参量(p19)由水汽和平面纯水（或纯水）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，称为水汽达饱和。有很多个114Observationsofvaporpressureasafunctionoftemperature1151）水汽混合比r单位：kg/kg2)比湿q单位：kg/kgq于r的关系：1163)绝对湿度（水汽密度)单位：kg/m3V为湿空气体积4）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位为hPa相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压Ew（Ei），仅是温度的函数，随温度升高而增大117饱和水汽压计算公式（p21）5）相对湿度f6）露点td、霜点tf湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。118四、风1、风的概念1）空气相对运动形成风大气科学中的风以地面为参照物，分水平风、垂直风2）风是矢量，水平风是二维矢量3）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法1192、风向1）指风的来向2）表示方法：用16个地理方位用方位角3、风速表示方法1）单位时间里空气所经过的距离。单位：m/s、mile/h1201212)风级热带低压(中心附近最大风力6—7级)热带风暴(8—9级)强热带风暴(10—11级)台风(≥12级)。例如，热带气旋用风级划分为：122123124125126第五节空气状态方程一、理想气体状态方程2、地球上自然状态下的空气可看作理想气体127二、干空气状态方程1、方程推导设体积为V、温度为T的干空气中，含有n种气体成分，其中第i种成分的状态方程为：对以上n个式子求和，有128考虑到并令，则有12990km以下，令Rd称为干空气比气体常数（3）式可化为1302、比气体常数131三、湿空气状态方程1、方程推导干空气和水汽状态方程分别为把（5）代入上式（6），有132（4）+（7）得即133（7）/（8），得考虑到（9）式近似为134把（10）代入（8），有若令则（11）式化为135若令则（11）式化为（11）~（13）为湿空气状态方程的三种形式，其中最常用的为公式（13）2、虚温136是关于温度、水汽压和压强的函数。为了能在湿空气状态方程中使用，并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量。定义式为137四、常用的湿度参量间关系一块体积为V、温度为T的湿空气中，水汽和干空气状态方程分别为（6）/（14），得138一块体积为V、温度为T的湿空气中，水汽和湿空气状态方程分别为139（6）/（11），有1401411）水汽混合比r2)比湿q3)绝对湿度（水汽密度)4）水汽压e：5）相对湿度f6）露点td、霜点tf142q于r的关系：143Rd称为干空气比气体常数144145第五节大气静力学方程一、方程推导假定大气处于静力平衡状态，即大气相对于地面静止，达到力的平衡。任取一块截面积为1m2，厚度为dz的铅直气柱，对它进行受力分析146（1.5.1）称为大气静力学方程的微分形式（1.5.2）称为大气静力学方程的导数形式147

当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静力学方程精确成立。当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学方程近似成立。二、适用条件大气运动具有准水平性，即任意时刻大部分空间范围的大气以水平运动为主。垂直加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度至少小4个数量级。148

大气静力学方程不仅适用于静止大气，而且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动的大气（见图）149150三、应用1、用来定义平衡气压（大气静力学气压）对（1.5.2）式两边积分，得151

即以某高度z1上的平衡气压等于从该高度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。2、求气压阶hp(p31)1）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对应的几何高度增加量3）影响因子1523、计算气压标高Hp1）定义标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者气压标高表示气压随高度的变化趋势，定义式为(平面平行大气的假设下)1532）计算式1543）等温大气的标高对（1.5.6）式变形后两边积分，得对于等温大气，Tv不随高度变化，故Hp也不随高度变化，所以155

对于等温大气，Hp在数量上等于气压减小到起始气压的1/e所需要的高度增量。4、用来推导模式大气的压高公式压高公式：表明气压与高度间关系的公式。模式大气：是满足一定假设条件的大气。1）等温大气a)定义：虚温或温度不随高度变化的大气b)压高公式：156把（1.5.7）代入，有

在气象观测中，常用（1.5.10）求算等压面位势高度和海平面气压换算。c)上界（p=0的高度）：无上界2）多元大气a)定义：气温随高度线性变化的大气称为多元大气。157b)压高公式：设，代入大气静力学方程中可推导出c)上界：1583）均质大气a)定义：空气密度不随高度变化的大气称为均质大气。b)压高公式：

c)上界：数值上等于低层大气的标高。159卓奥友峰8201米8000米是人类生存的极限160161d)铅直温度递减率

由均质大气压高公式和状态方程，求得均质大气铅直温度递减率为：162变形，得由（1.5.12）式发现，所以也称为自由对流铅直温度递减率163四、标准大气1、定义（WMO的定义）所谓标准大气，就是能够粗略地反映出周年、中纬度状况的，得到国际上承认的，假定的大气温度、压力和密度的垂直分布。它的典型用途是作为压力高度计校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、弹道制表和气象制图的基准。假定空气服从使温度、压力和密度与位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程。在一个时期内，只能规定一个标准大气，这个标准大气，除相隔多年做修正外，不允许经常变动。1642、美国1976年标准大气：

是对美国1962年标准大气的修正，它表示了中等太阳活动期间，由地面到1000km的理想化、静态的中纬度平均大气结构。3、我国国家标准：

我国国家标准总局规定，在建立我国自己的标准大气之前，可使用1976年美国标准大气，取其30km以下部分作为国家标准。165166167第六节气压场气压场：气压的空间分布。气压的三维空间分布称为空间气压场；气压的水平分布称为水平气压场。168一、基本概念1、等高面图等压面：指空间气压相等各点组成的曲面，等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面等高面上的等压线：是等高面上气压相同点的连线。是等压面与等高面的交线。169书签

气压[hPa]亚洲:10月11日北京时间08:00

170目前地面天气图，就是高度为零的等高面图，在地图上填上海平面气压值，绘制等压线，此外，地面天气图上还标有其他天气符号和等值线。1712、等压面图

用高度间隔相等的若干等高面去截某等压面P，将所得截线即等高线