大气物理学
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课程评价
spContent=大气物理学是研究大气中的物理现象、物理过程及其演变规律的大气科学的分支学科。它既是大气科学的基础理论部分,又是环境科学的一个部分。该课程的学习,使学生系统掌握大气物理学各方面的基础理论知识,为以后的动力气象学、云物理学及边界层气象学等专业课的学习奠定基础。
—— 课程团队
课程概述

本课程主要讲述:大气中各种气体成分的性质、各种气象要素的定义与计算、大气的垂直分层;大气静力学;大气热力学的基本概念和基本定律、各种热力过程和温湿参量;大气层结稳定度;辐射的基本概念和基本定律、太阳短波辐射在大气中的传输、地球长波辐射在大气中的传输;大气光学现象;云降水物理基础等大气学科的基础知识


授课目标
通过本课程的学习,能够使学生理解和掌握大气物理学的基本概念和原理,能运用相关理论讨论气象要素的基本特征、大气结构特点以及常见大气成分的源汇和作用,能够分析大气中的基础热过程、辐射过程和光学现象等,为今后的高级专业课程打下坚实的理论基础。
课程大纲

1. 地球大气的演化

(1)了解太阳系形成和行星大气成分;

(2)理解地球大气的演化过程。

重点:大气演化过程及其主要成分。


2. 大气成分与大气分层

(1)理解空气的主要成分;

(2)掌握大气分层的方法,大气垂直结构、特点及大气质量计算方法;

(3)了解大气的主要下垫面海洋的物理特性。

重点:大气的基本特点(干洁大气,湿空气),大气组成的两种分类方法(浓度、停留时间),一些主要气体成分的基本特征,二氧化碳及其气候效应,臭氧的特性、臭氧空洞概念及其形成原因;光化学污染,酸雨,气溶胶的概念、分类方法及其主要作用;按温度划分的大气各层特征,大气上界,臭氧加热原因。


3. 基本气象要素和空气状态方程

(1)掌握温湿变量的表示方法;

(2)掌握状态方程

(3)理解虚温、水汽和大气气溶胶的作用等概念。

重点:温度:温标;湿度:混合比、比湿、水汽压、饱和水汽压(基本特点)、相对湿度、水汽密度、露点/霜点(零度以下两者的差异),湿度参量之间的关系;风:三维风速和风向、极坐标和直角坐标下的风向差别,状态方程:理想气体方程、干/湿空气状态方程(推导和计算),虚温。

难点:露点的概念及其与实际水汽压的关系,克拉柏龙-克劳修斯方程物理意义(图形和规律)。


4. 大气静力学

(1)掌握大气静力学方程及物理意义;

(2)理解模式大气和气压-位势高度公式并能实际应用;

(3)了解标准大气和气压的时空分布;

重点:大气静力学方程推导,气压阶、气压标高和海平面气压,等温大气,多元大气,均质大气压高公式推导及应用;自由对流垂直温度递减率,数值范围;标准大气:位势高度。


5. 大气热力学基础

(1)掌握大气热力学基本定律;

(2)理解描述大气热力学状态的热力学方程;

(3)掌握大气热力学过程和大气静力稳定度;

(4)掌握热力学图表并能用其描述大气热力学过程和静力稳定度分析;

(5)了解绝热混合过程和等压冷却过程;

(6)了解大气热力学中的温湿参量;

(7)了解逆温层的概念。

重点:干绝热过程、湿绝热过程以及两种过程所涉及的主要概念(如位温和假相当位温);焚风(概念和应用);相当温度和湿球温度;大气(层结)静力稳定度的概念,不稳定能量与条件性不稳定,对流性不稳定。热力学图解及其在温湿参量求解、热力学过程、大气稳定度分析等方面的应用。

难点:热力学态函数及比熵等方程的推导和应用,克拉珀龙-克劳修斯方程,相当温度和湿球温度的物理过程,使用热力学图解分析气块越山,基于探空资料的大气层结特征分析,气块升降过程中水汽和液态水含量的转化,大气静力稳定度的几种判据,潜在不稳定类型。


6. 大气辐射过程

(1)掌握辐射的基本物理量和物理规律;

(3)掌握地球大气与辐射的相互作用;

(4)掌握太阳辐射在地球大气中的传输;

(5)掌握地球-大气系统的长波辐射;

(6)熟悉地球、大气及地气系统的辐射平衡;

重点:大气辐射基本物理量及意义,结合辐射基本物理量,了解各类辐射源以及与相关物理量之间的关系,黑体辐射定律、意义及应用,太阳辐射和地球辐射的区别,散射与吸收的概念及其所涉及的一些参变量,太阳常数,光学厚度,大气直接辐射及其简单模式,布格-朗伯-比尔定律,长波辐射传输特征与长波辐射传输方程,反照率,地气辐射平衡,地气系统辐射差额,天空亮度和色彩分布的原因。

难点:基尔霍夫定律的物理意义和实际应用,从吸收(散射)截面、体积(质量)系数、光学厚度到布格-朗伯定律的推导、不同辐射源的辐射通量密度计算,长波辐射传输方程推导和物理意义,漫射辐射,地气辐射平衡方程的构建,辐射差额每一项的物理意义。

预备知识

高等数学、大学物理

证书要求

总评成绩计算方式:单元测验20%,课后作业20%,课程讨论10%,考试50%。

完成课程学习并考核合格(≥60分)的可获得合格证书,成绩优秀(≥85分)的可获得优秀证书。

参考资料

1. 艾里巴恩, 1985: 大气物理学. 气象出版社, 240 pp.

2. 李万彪, 2010: 大气物理:热力学与辐射基础. 北京大学出版社, 229 pp.

3. 盛裴轩, 毛节泰, 李建国等, 2003: 大气物理学. 北京大学出版社, 522 pp.

4. 徐玉貌, 刘红年, 徐桂玉, 2013: 大气科学概论. 第2版, 南京大学出版社, 226 pp.

5. 许绍祖, 1993: 大气物理学基础. 气象出版社, 661 pp.

6. 约翰·M·华莱士, 彼得·V·霍布斯著, 何金海等译, 2008: 大气科学. 科学出版社, 486 pp.

7. Andrews, D. G., 2010: An introduction to atmospheric physics. 2nd ed. Cambridge University Press, 237 pp.

8. Anastasios A. Tsonis. 2007. An Introduction to Atmospheric Thermodynamics. Second Edition. Cambridge University Press, 259 pp.

9. Bohren, C. F., and B. A. Albrecht, 1998: Atmospheric thermodynamics. Oxford University Press, 402 pp.

10.Craig F. Bohren and Eugene Clothiaux. Fundamentals of Atmospheric Radiation: An Introduction with 400 Problems. Wiley, 2006.

11. Miller, S., 2015: Applied thermodynamics for meteorologists. Cambridge University Press.

12.Mölders, N., and G. Kramm, 2014: Lectures in meteorology. Springer, 591 pp.

13.North, G. R., and T. L. Erukhimova, 2009: Atmospheric thermodynamics: elementary physics and chemistry. Cambridge University Press, 267 pp.

14.Salby, M. L. 2012. Physics of the atmosphere and climate. 2nd ed. Cambridge University Press, 630 pp.

15.Wells, N., 2012: The atmosphere and ocean: a physical introduction. 3rd ed. Wiley-Blackwell, 411 pp.

16.Wilford Zdunkowski and Andreas Bott. Thermodynamics of the Atmosphere - A Course in Theoretical Meteorology. Cambridge University Press, 2007.

常见问题

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