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文档简介

《大气物理学》课程介绍本课程将深入探讨大气物理学的基本原理和应用,并涵盖以下主题:大气结构,大气成分,辐射平衡,大气运动,云物理,天气系统,气候变化等等。大气物理学的研究对象大气圈包围地球的整个气体层。包含各种气体成分,如氮气、氧气、二氧化碳等。天气现象包括温度、湿度、气压、风、降水等要素。大气运动和变化,形成各种天气现象。大气的基本结构和特征地球大气层是一个复杂且动态的系统,它被分为不同的层,每层都具有独特的特征。对流层是大气层的最底层,包含了我们所呼吸的空气,是天气现象发生的地方。平流层位于对流层之上,温度随着高度增加而升高,包含臭氧层,保护地球免受紫外线的伤害。中间层、热层和外层是大气的更高级别,它们在宇宙空间中逐渐过渡到真空。大气中的辐射过程太阳辐射太阳辐射是地球大气能量的主要来源,它以电磁波的形式传递能量。地球辐射地球吸收太阳辐射后,自身也会向外辐射能量,称为地球辐射。地球辐射主要以红外线为主。大气辐射大气中的气体和气溶胶也会吸收和辐射能量,形成大气辐射。它对地表温度有重要影响。辐射平衡大气和地表之间存在着复杂的辐射平衡关系,影响着全球气候变化。大气温度的基本规律大气温度变化规律由太阳辐射、地面辐射、大气辐射和大气环流等因素决定。温度呈现季节性变化,夏季气温高,冬季气温低。大气的压力和风系1大气压力的概念大气层重量作用在地球表面产生的力称为大气压力,它会随着高度的增加而下降。2气压梯度力气压差异产生的力推动空气从高压区流向低压区,形成风。3地转偏向力地球自转产生的力会使北半球的风向右偏,南半球的风向左偏。4摩擦力空气与地表摩擦产生的力会减缓风速,影响风向。水汽和云云的形成空气中的水汽达到饱和状态,形成微小的水滴或冰晶,聚集成云。云的种类云的种类多种多样,根据其形状、高度和形成方式进行分类。云的物理性质云具有反照率,可以反射太阳辐射,影响地表温度。云对天气影响云是降水的重要来源,也影响大气环流和气候变化。大气的湿度和降水大气湿度是指空气中水汽含量的多少,通常用相对湿度表示。降水是水汽凝结后从大气中降落到地面的现象,包括雨、雪、冰雹等形式。70%相对湿度相对湿度是指空气中实际水汽含量与同温度下饱和水汽含量的百分比。1000mm年降水量全球年降水量分布不均,赤道地区降水量最多,两极地区降水量最少。大气化学与污染大气成分大气包含氮气、氧气、二氧化碳、氩气等,以及微量气体。其中,二氧化碳等温室气体对地球温度有重要影响。污染物来源大气污染物主要来自人类活动,如工业排放、交通运输、燃煤等。这些污染物会对人体健康和环境造成严重危害。污染物种类常见的大气污染物包括二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、臭氧、挥发性有机物等。这些污染物会形成酸雨、雾霾等环境问题。污染控制控制大气污染需要采取多种措施,如清洁能源利用、污染物排放标准、环境监测等,共同构建健康的生态环境。大气环境和人类活动1人类活动对大气环境的影响人类活动,如工业排放、交通运输、农业生产、能源消耗等,会产生大量污染物,对大气环境造成严重影响。2全球气候变化温室气体排放增加导致全球气温升高,造成极端天气事件增多,海平面上升,冰川融化等一系列问题。3大气环境保护控制污染物排放、发展清洁能源、提高能源效率等措施,可以有效改善大气环境质量,减缓全球气候变化。天气系统与天气分析天气图分析天气图提供详细的气象信息,帮助分析天气状况和变化趋势。地面观测地面观测数据包括气温、气压、湿度、风速等,提供实时的天气信息。卫星遥感卫星遥感提供大范围的天气信息,帮助分析云层分布、降雨量和风场。天气预报利用天气数据和模型,预测未来一段时间的天气变化情况。天气预报的基本方法1数值预报计算机模拟大气运动2统计预报历史数据分析3集合预报多个数值模式4人工预报经验和判断数值预报使用计算机模型模拟大气运动,基于物理方程和初始条件。统计预报利用历史数据分析天气变化规律。集合预报综合多个数值模式的结果,提高预报准确率。人工预报则依赖预报员的经验和判断,结合各种信息进行综合分析。天气预报的数值模拟数值天气预报是利用计算机模拟大气运动,预测未来天气状况的一种方法。数值预报模型将大气分为许多网格,然后根据大气物理方程计算每个网格点上的气象要素,预测未来的天气变化。优点客观性定量化缺点模型误差初始条件不确定性暴雨和干旱的成因分析1大气环流异常副热带高压异常强盛,导致降水减少。2海温变化厄尔尼诺或拉尼娜现象影响大气环流。3地形影响山脉阻挡水汽输送,导致局部地区降水量减少。4人类活动过度砍伐森林、城市化导致降水变化。热带气旋的结构和特征热带气旋是发生在热带或副热带海洋上的强烈天气系统,具有低气压中心、螺旋状云系和强风等特征。热带气旋结构包括中心低压区、眼墙、螺旋雨带等,不同结构区域具有不同的风力、降水和云层特征。中高纬度气旋的特点冷锋与暖锋中高纬度气旋拥有明显的冷锋和暖锋,冷锋移动速度快,暖锋移动速度慢,锋面附近会出现降水。气旋内部温度低,气压低,气流呈逆时针旋转,气旋中心为低压中心。生命周期中高纬度气旋通常会经历形成、发展、成熟、消亡等阶段,成熟阶段的特点是气旋系统比较稳定,降水量大,风力强。气旋的运动轨迹受大气环流的影响,一般向东移动。极地涡旋和寒潮1极地涡旋极地涡旋是冬季极地地区上空形成的低压系统,主要由冷空气构成,旋转方向与地球自转方向相反,呈逆时针方向。2寒潮寒潮是指冷空气大规模地从高纬度地区向低纬度地区移动,造成气温骤降的一种天气现象。3联系当极地涡旋减弱或移动时,冷空气就会向南侵入,引发寒潮天气,给中低纬度地区带来降温、大风和降雪。4影响极地涡旋和寒潮会对人类活动和生态环境造成重大影响,例如,造成交通瘫痪、能源短缺、农作物受损等。大气环流模式及其演变1基本模式三圈环流模式哈得莱环流、费雷尔环流、极地环流2影响因素太阳辐射、地球自转、地表性质3演变过程季节变化、年际变化、年代际变化4重要性影响天气气候、物质能量交换大气环流模式是指全球范围内盛行风系的大尺度分布规律,是地球气候系统的重要组成部分。不同纬度地区接收的太阳辐射不同,导致温度差异,进而形成气压差异,驱动大气运动,形成环流模式。气候系统及其变化机制气候系统是一个复杂的系统,它由大气、海洋、陆地、冰雪圈和生物圈等相互作用的子系统组成。气候变化是由自然因素和人类活动共同造成的,包括温室气体排放、土地利用变化、火山爆发等。气候系统是相互关联的,变化会对人类社会、自然环境和生态系统产生重大影响。例如,全球变暖会加剧极端天气事件,影响农业生产、水资源利用和生物多样性。温室效应与全球变暖温室效应大气中温室气体浓度增加,导致地球表面温度升高,称为温室效应。全球变暖温室效应加剧导致全球平均气温上升,引发一系列气候变化。环境影响冰川融化、海平面上升、极端天气频发,对生态环境和人类生活造成严重威胁。应对措施减少温室气体排放,发展清洁能源,采取适应性措施,减缓全球变暖。臭氧层的形成和破坏臭氧层的形成臭氧层主要由臭氧气体组成,吸收太阳光中的大部分紫外线辐射,保护地球生命免受伤害。臭氧层破坏的主要原因人类活动排放的氟氯烃等化学物质进入大气,破坏臭氧层,导致紫外线辐射增强。臭氧层破坏的危害臭氧层破坏会导致皮肤癌、白内障等疾病的发生,并对生态系统造成严重影响。臭氧层保护国际社会已采取行动,禁止使用破坏臭氧层的化学物质,促进臭氧层恢复。气溶胶与云物理过程气溶胶对云的影响气溶胶可以作为云凝结核,影响云的形成和发展。例如,气溶胶浓度升高会导致云滴增多,云层变厚,降雨量增加。云物理过程云物理过程是指云的形成、发展、降水等过程。气溶胶对云物理过程的影响,进而影响天气和气候。气溶胶的类型气溶胶种类繁多,包括海盐、硫酸盐、硝酸盐、有机物等。不同类型的气溶胶对云物理过程的影响也不同。气溶胶研究的重要性气溶胶对云物理过程的影响是气候变化研究的重要课题。深入了解气溶胶与云物理过程,有助于我们更好地理解气候变化的机制,并预测未来的气候变化趋势。灾害性天气事件及其预报自然灾害给人类社会带来巨大损失,例如台风、暴雨、洪水、干旱、高温热浪、寒潮等。1灾害性天气事件预报防灾减灾的科学基础2天气预报系统数值天气预报模式3大气探测技术雷达、卫星、地面观测4数据分析和处理科学模型和算法灾害性天气事件预报是气象科学研究的重要方向,能够有效地减少灾害带来的损失。大气遥感技术及应用大气遥感技术利用各种传感器,获取大气参数信息,例如温度、湿度、风速、云量等。这些信息被应用于天气预报、气候监测、环境研究、资源管理等领域,为人类社会提供重要的支撑。人工影响天气的原理云层播种人工影响天气主要通过云层播种的方式进行,向云层中播撒催化剂,促进云滴增长形成降水。人工防雹通过向云层中播撒碘化银等催化剂,改变冰晶形成过程,抑制冰雹的生长。人工消雾利用飞机或地面设备向雾层中播撒干冰或盐粒,使雾滴凝结成较大水滴,降落地面,达到消雾的目的。人工增雨通过播撒催化剂,提高云层中水汽含量,促进凝结和降水过程,增加降雨量。大气探测和数据分析1数据采集利用各种探测仪器收集大气数据,包括气象站、雷达、卫星等。地面气象观测高空气象观测遥感探测2数据处理对采集到的数据进行预处理、质量控制、校正和插值,确保数据质量。数据清洗数据格式转换数据同化3数据分析利用统计方法、数值模型等分析数据,揭示大气现象的规律,为天气预报、气候研究等提供支持。气象分析气候模拟环境监测大气物理学的前沿研究方向11.气候变化气候变化是全球关注的焦点,大气物理学的研究可以帮助我们理解气候变化的影响,并制定应对策略。22.极端天气事件极端天气事件,例如暴雨、干旱、热浪等,对人类社会造成重大影响,大气物理学的研究可以帮助我们预测和减轻这些灾害的影响。33.大气污染大气污染是重要的环境问题,大气物理学的研究可以帮助我们理解大气污染的形成机制,并开发控制和治理大气污染的措施。44.人工影响天气人工影响天气技术是利用大气物理学原理,通过人工手段影响天气过程,以达到防灾减灾、增加降水等目的。大气环境保护与可持续发展空气质量空气污染是全球性的环境问题,影响人类健康和生态系统。保护大气环境需要降低排放,提高能源效率。可再生能源发展太阳能、风能、水能等可再生能源,减少化石燃料的燃烧,降低温室气体排放。气候变化应对气候变化,减少碳排放,实现可持续发展。大气物理学在国民经济中的应用天气预报天气预报是现代社会生活的重要组成部分,气象信息对交通、农业、能源、旅游等行

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