大气科学概论复习提纲

大气科学概论复习提纲（2016）第一章大气概述1-1大气成分：干洁空气、水汽、颗粒物。干洁空气：主要成分（N2、O2、Ar）、微量成分（CO2、CH4、He、Ne、Kr等）、痕量成分(H2、O3、Xe、NOx、NH3、SO2、CO等)。重点：温室效应CO2、臭氧层O3、水汽、颗粒物。1-2空气状态方程干空气状态方程：p=ρdRdT湿空气状态方程：p=ρRdTv虚温：Tv=T(1+0.378𝑒𝑝)重点：同温同压下湿空气密度小于干空气密度，并说明其气象学意义。1-3主要气象要素气温：宏观上冷热程度，微观上分子平均动能（内能）。T(ºK)=273+t(ºC)气压：宏观上单位面积水平面上的大气柱重力，微观上分子热运动在单位面积上所产生的撞击力。单位：Pa、hPa、mb、mmHg、bar等。1Pa=1Nm-21hPa=1mb=100Pa1mb=10-3bar1bar=760mmHg=101325Pa≈105Pa湿度：大气中水汽含量。水汽压(e)和饱和水汽压(E)、绝对湿度(a)、相对湿度(f)、混合比(r)和比湿(q)、露点温度(td)重点：饱和水汽压(E)与气温(T)的关系风：风速ms-1、kmh-1、knot(nmh-1)；风向即风的来向，16方位、方向度1-4大气垂直结构根据温度垂直分布，分为对流层、平流层、中间层、热层、外逸层。根据大气组成，分为均匀层、非均匀层；根据大气电离程度，分为电离层、非电离层重点：对流层特征。1-5气压的分布变化高度分布：静力方程、气压阶（单位气压高度差）、压高公式(匀质大气、等温大气、多元大气)、标准大气；水平分布：等高面图——海平面气压场（等压线分布）：低气压、高气压、低压槽、高压脊、气压鞍；等压面图——高空某一等压面的等高线分布图，如850hPa、700hPa、500hPa、200hPa等。重点：大气静力方程、海平面气压场基本形式、位势高度、气压梯度（水平气压梯度、垂直气压梯度）。第二章大气辐射学2-1辐射概述概念：辐射波谱、物体对辐射的响应（吸收率a、反射率r、透射率d）、黑体(a=1)和灰体(a1)、比辐射率δ（黑体δ=1、灰体δ1）；度量：辐射强度I(Wm-2Sr-1)、辐射通量密度F(Wm-2)、关系F=πI。对于平行辐射，辐射强度I(Wm-2)、辐射通量密度F(Wm-2)、关系F=Icosθ，θ为入射辐射与接收面法线的夹角。2-2辐射基本定律普朗克函数（ThePlanckFunction）：基尔霍夫(Kirchhoff)定律：Stefan-Boltzmann定律：4TFWien定律：TCm2-3太阳辐射太阳常数𝑆0=1382Wm-2；大气对太阳辐射的吸收：吸收光谱、指数定律：m0PII，P大气透明度系数、m大气光学质量大气对太阳辐射的散射：分子散射、米散射达到地面的太阳直接辐射：sinhPrrSSm200达到地面的太阳总辐射=直接辐射+散射辐射：日变化、年变化、纬度分布；2-4地球辐射地面辐射：大气辐射：地面有效辐射：地面辐射差额：地面能量平衡：气温日、年变化：第三章大气热力学3-1大气温度平均气温及气温极值气温影响因素：全球海平面气温分布：3-2水相变水循环、水相平衡图、饱和水汽压影响因素3-3热力学第一定律热力学第一定律：dQ=dU+dW大气热流量方程：dQ=CpdT–RTdp/p3-4绝然过程1ehc2ITk/hc52TbTTbTTIIa干绝热方程（Poisson方程）：00PPTT，其中286.0C/Rp位温：p1000T干绝热直减率：m100/C1Cgpd湿绝热直减率：dsPdmdzdrcL焚风效应3-5大气静力稳定度稳定度概念：稳定度判别：气块法：TTe不稳定、T=Te中性、TTe稳定，（T和Te分别为气块温度和周围气温）；直减率法：干空气γγd不稳定、γ=γd中性、γγd稳定，（γ和γd分别为周围气温直减率和干绝热直减率）；饱和湿空气γγm不稳定、γ=γm中性、γγm稳定，（γ和γm分别为周围气温直减率和湿绝热直减率）。稳定度三种情形：γγm绝对稳定、γmγγd条件性不稳定、γγd绝对不稳定，绝对不稳定多形成于夏季陆地午后；绝对稳定则多见于秋冬季陆地清晨/；而多数情形下为条件性不稳定。不稳定能量类型：绝对不稳定型、绝对稳定型、潜在不稳定型（真潜不稳定型和假潜不稳定型）。第四章大气动力学基础4-1大气运动方程绝对运动方程：相对运动方程：作用于大气微团的力：气压梯度力、地转偏向力Coriolisforce)、有效重力、摩擦力。连续方程：运动方程尺度分析：4-2自由大气中的平衡运动地转风：概念、风速标量、矢量表达式、白贝罗（Buys-Bullot)风压定律，等压面（p坐标系）中地转风标量、矢量式；梯度风：概念、自然坐标系中水平运动方程、梯度风方程、气旋梯度风性质、反气旋梯度风性质；热成风：概念、风速标量、矢量表达式、性质、应用；4-3大气摩擦层中的风摩擦层中的地转风：①地面风速小于高空地转风;②地面风速与等压线成一夹角α，取决于地面粗糙度、高度及纬度;③近地面，北半球背风而立，低压在左前方、高压在右后方，南半球反之；④随高度增加，风向右偏、风速加大，直至趋于高空地转风。各风矢量终点的连线构成“埃克曼螺线(Ekmanspiral)”，摩擦层中的梯度风：气旋型梯度风逆时针旋转并向中心辐合，产生上升气流，成云致雨、伴风暴，如台风；反气旋型梯度风顺时针旋转并向四周辐散，产生下沉气流，中心天气晴好、风力微弱，如冷高压；4-4大气环流理想三圈大气环流模型：地面气压带、风带的分布及其形成；实际大气环流的平均状况：对流层底层（海平面）平均大气环流（气压场）特征——大气活动中心及其季节变化；对流层中上层平均大气环流特征——平均槽脊、大气长波、西风急流。第五章云、雾、降水物理学基础5-1云概念：悬浮于空中的由大量微小水滴或/和冰晶组成的气溶胶体。分类：高度分类、形成分类、热力分类、微结构分类形成：条件（水汽和上升运动）、过程（冷却——绝热和非绝热、冷却和增湿——水平和垂直混合）宏观特征：积状云（淡积云、浓积云、积雨云）、层状云(卷层云、高层云、雨层云、碎层云)、波状云（卷积云、高积云、层积云）。全球平均云分布：5-2雾概念：近地面空中的由大量微小水滴或/和冰晶组成的气溶胶体，使水平能见度降至1km以下，水平能见度在1km或以上时为轻雾。分类：辐射雾、平流雾、锋面雾、地形雾、蒸汽/发雾特征：掌握辐射雾、平流雾、锋面雾特征。5-3降水概述：标准云滴尺度10μm、标准雨滴尺度1000μm形成过程：碰并过程/Collision-Coalescence（多见于暖云降水）；贝吉隆过程/Bergeron（多见于冷云降水）暖云降水：冷云降水：第六章天气和天气预报6-1天气图概念：底图投影：天气图类型：地面、高空、辅助天气图6-2温带天气系统气团：概念、形成(条件、物理过程)、变性（冷气团变性快、气温直减率增大、出现不稳定天气；暖气团变性慢、气温直减率减小、出现稳定天气）、分类（地理分类、热力分类）、影响我国气团（变性北极气团、极地大陆气团、变性热带海洋气团）锋：概念、分类（移动分类、高度分类、地理分类）、天气（指云系、降水、风、雾、能见度等分布，暖锋天气、冷锋天气、准静止锋天气、锢囚锋天气）6-3温带气旋和反气旋气旋、反气旋特征和分类：概念、范围、强度、天气特点、分类；温带气旋：形成（锋面波动型、锢囚型、倒槽型）、阶段（初生、发展、锢囚和消亡）、天气模式（初生阶段、发展成熟阶段、锢囚阶段、消亡阶段）温带反气旋：形成（区域、形成、活动）、天气模式（中/内部、前/西部、后/东部）6-4热带和副热带天气系统副热带高压：概念（副热带高压带、海洋副热带高压、陆地副热带高压）、活动（季节性、热力特性）、天气特点（中部、西北/北部、南部、东部）；西太平洋副热带高压（表示法、季节变化、对我国天气影响、中短期变化）；热带气旋（台风）：概况（概念、分类、分布、季节、范围和强度）；结构（水平流场、垂直流场）、天气（台风眼内、台风眼壁、台风外区）、移动（西、西北、转向）。6-5中小尺度天气系统（了解）雷暴：龙卷：附录综合题例题1、设海平面（z=0）处空气密度、气压和气温分别为ρ0、p0和T0，试证明等温大气（温度为T0）和多元大气(气温直减率γ)中空气密度随高度分布的表达式分别为：和2、假设赤道地区垂直平均气温为15ºC，北极地区垂直平均气温为-15ºC，试分别计算赤道和北极1000hPa与500hPa两等压面间的厚度（取整数，不考虑水汽影响，干空气气体常数Rd=287Jkg-1K-1，重力加速度g=9.8ms-2，ln2=0.6931）。并据此计算结果解释中纬度地区对流层中上层形成西风急流的原因。3、假设：(1)不考虑大气，地面对太阳辐射的反射率rS=0.3；（2）大气为一薄层，其对太阳辐射和地面辐射的吸收率分别as=0.1和ae=0.9，地面对太阳辐射和大气逆辐射的反射率分别为rs=0.3和ra=0.1。地表具有黑体性质，试分别计算两种情形下地面辐射平衡温度（以ºC表示，取整数），并解释造成其差异的原因。太阳常数S0=1382Wm-2，斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ=5.67×10-8Jm-2K-4s-1。4、如图所示，气流在迎风坡海平面A点的温度为25ºC，露点温度为15ºC，干绝热直减率γd=1ºC/100m，湿绝热直减率γm=0.5ºC/100m，试回答以下问题：（1）云底高度（即凝结高度）？（2）气流至山顶时气温？（3）气流至山顶时露点温度？（4）气流从云底高度上升至山顶时，水汽凝结量多少?（以g/kg表示)（5）气流下沉至G点时温度？（假设水汽凝结物形成降水）（6）至G处气流可能的水汽容量？（以g/kg表示)（7）若气流下沉时，水汽没有增加或减少，则G点处相对湿度？（8）A处相对湿度？（9）说出两个理由，A和G处相对湿度为何不同？zRTgexp001Rg000TzT不同温度下的饱和比湿（g/kg）5、如图所示，为某地某时气温垂直分布层结曲线及干、湿绝热过程线，试回答如下问题：（1）判断0~z1、z1~z2和z2~z3各层大气的稳定度；（2）判断0~z3整层大气的不稳定能量类型；（3）说明z1、z2和z3所对应高度的名称及含义。6、若不考虑地面摩擦力，气压梯度力相同，试判断处于同一纬度的气旋和（正常）反气旋梯度风之间的大小关系，并举例解释实际中为何这种大小关系通常很少出现。7、某地纬度为30°N，风向为西风，风速为10m／s,风与等压线成30º夹角，试计算地转偏向力（科氏力）、气压梯度力及地面摩擦力,并作示意图。(地转角速度Ω=7.3×10-5s-1)8、作示意图，简述大气“三圈环流”模式中地面气压带和风带分布，以及实际大气环流的平均状况。9、简述冷、暖气团天气特征。10、简述暖锋、冷锋、准静止锋和锢囚锋天气特征。11、简述气旋和反气旋的特征、强度和分类。12、简述温带气旋的形成和天气特征。13、简述温带反气旋的天气和活动。14、简述副热带高压、活动和天气特征。15、简述西北太平洋副热带高压的活动及对我国天气的影响。16、简述热带气旋（台风）的类型、源地、季节、结构和天气特征。17、作示意图，简述北半球发展成熟的温带（锋面）气旋水平结构，及自东向西分别从气旋中心南部和北部通过时所观察到的天气模式。18、如图所示为2012年12月5日1800时我国东部沿海及以东洋面天气分析图，回答以下问题：（1）图中有哪些类型天气系统？（2）简述我国沿海长江口至台湾海峡天气形势。