大气物理学教学大纲

大气物理学

大气物理学是一门气象专业基础课。学习该课程是为了使学生了解和掌握大气物理学各个方面的基础知识和基础理论，为学习专业课打下坚实基础。本门课主要包括大气的组成和结构、大气静力学、大气辐射、大气热力学等知识。

第一章 行星大气和地球大气的演化

一、要求：了解地球的演化和地球生命的起因，掌握地球大气演化的三个阶段。 二、考试内容 （1） 行星大气 （2） 地球大气的演化 三、例题：

（1）地球大气的演化大体可分为 、 和 三个阶段。 四、作业：

（1）行星大气的演化主要决定于该行星距太阳的距离及重力场的强度，对吗？为什么？ （2）地球具有哪些独特的条件，使它成为太阳系中唯一存在生命的星球？ 第二章 地球大气的成分及其分布

一、要求：了解空气的主要成分、主要的气象要素；掌握湿度的表示法、状态方程、虚温、

水汽和大气气溶胶的作用等概念。 二、考试内容 （1）干洁大气 （2）大气中的水汽 （3）大气气溶胶 三、例题：

（1）气温15.0℃，大气压力1015.0百帕，混合比0.01 ，求（a）饱和水汽压，（b）水

汽压，（c）饱和差。（d）相对湿度，（e）绝对湿度，（f）比湿。

（2）什么是大气气溶胶粒子？它在哪些大气过程中有重要作用？如果假想大气中完全

不存在大气气溶胶，地球大气环境会有什么变化？

（3）计算气压为1000hPa，气温为27℃时的干空气密度和在相同温压条件下，水汽压

为20 hPa时的湿空气密度。

（4）计算垂直密度梯度，在该高度上密度为1.0千克/米3，温度为23.1℃，气温直减

率为0.65℃/100米。如果空气密度不随高度变化，那么

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四、作业：

（1）气温为3℃,相对湿度为30％，求露点\\霜点及水汽密度。若大气压强为1005 hPa，

求比湿。

（2）计算垂直密度梯度，在该高度上密度为1.0千克/米3，温度为23.1℃，气温直减

率为0.65℃/100米。如果空气密度不随高度变化，那么（3）简述南极臭氧洞产生的原因。

（4）计算气压为1000百帕，温度为7.0℃的饱和湿空气的虚温和虚温差。

第三章 大气的分层和结构

一、要求：了解大气的垂直分层结构，掌握分层的方法、各层名称和特点及大气质量计算

方法。 二、考试内容

（1）大气分层

（2）大气质量及其垂直分布 三、例题：

（1）设空气密度随高度变化为?z??0e?8000，试估计地球大气的总质量。其中z的单位

为米，?0?1.27（千克/米3）

（2）已知地面气压p＝1000hPa，温度 t =10℃，露点td = 5℃, ① 请求出其比湿q, 虚温tv, 空气密度?.

② 若温度和比湿不随高度改变，求850hPa等压面离地面的高度z (gpm) =?

③ 若在1000-850hPa的气层中，比湿不随高度变化，求出底面积为 1m2 气柱中水汽

总质量mv (kgm)（提示：先求空气总质量）。如果其全部凝结为液体水落至地面，则水层有多厚(cm).

（3）若高空某一层的气压是地面气压的一半，假设：①地面到该层为等温层，平均温度

为290k；②地面气温是288k，而减温率为6.5k/gpkm.请分别计算在以上两种情况下该等压面的高度。

四、作业：

（1）支配地球大气中气体成分随高度分布的因素有哪些？地面上大气与500km以上大气

有何不同？

（2）已知大气中氖的平均浓度是18ppmv，计算大气中氖的总质量。 （3）计算“标准大气”中海平面处的压强标高和密度标高。 （4）计算气压为1000hPa，气温为

时干空气的密度。在上述相同的气压和气温条

2z?T?? ?z

件下，若空气中的水汽压为20hPa，计算此时湿空气的密度和水汽密度，并作比较.

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第四章 大气静力学

一、要求：了解标准大气定义及其应用；掌握静力学基本方程及物理意义、各种压高公式

及气压场的基本型式。 二、考试内容

（1）大气静力学方程 （2）大气模式

（3）气压—位势高度公式 （4）标准大气 （5）气压的时空分布 三、例题：

（1）设地面气压为1013百帕，温度为0.0℃，试求在均质大气中3997米和7995米高度

上的气压。

（2）已知??0.65℃/100米，地面气温0.0℃，气压1000.0百帕，求多元大气在3997米

和7995米高度上的气压（百帕）。

（3）试比较具有相同气压和温度（978.0百帕和32.5℃）的饱和湿空气和干空气的气压阶。 （4）设等温大气温度随时间变化，但地面气压维持不变，试证明在等于均质大气高度，

空气密度也维持不变。 四、作业：

（1）画出均质大气、等温大气和多元大气的温度、压强、密度的垂直变化曲线示意图，

并分析比较。

（2）根据标准大气的规定，求气压分别为1000hPa、500hPa和100hPa处单位气压高度差。 （3）计算当气压为1000.0百帕，温度为40.0℃和-40.0℃时的地表附近的气压阶。 （4）计算均质大气的气温直减率。

第五章 地面和大气中的辐射过程

一、要求：掌握辐射的基本知识、热辐射的基本定律、太阳辐射在大气中的衰减方式及规

律、太阳常数、大气保温效应；了解大气逆辐射、地面有效辐射和能量平衡等概念。 二、考试内容

（1）辐射的基本概念 （2）辐射的物理规律

（3）地球大气与辐射的相互作用 （4）太阳辐射在地球大气中的传输 （5）地球—大气系统的长波辐射 （6）地球、大气及地气系统的辐射平衡

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三、例题：

（1）若视大气为一薄层，它对太阳辐射的吸收率为0.1，对地球辐射的吸收率为0.8，设

地球表面具有黑体性质，试计算地球表面和大气的辐射平衡温度。 （2）若太阳常数增加5%，那么太阳表面的有效温度将增加多少呢？

（3）当日地距离为一个天文单位时，试求在赤道和极地的太阳辐射日总量的最大值和最

小值。

（4）波长为0.6328的氦—氖激光束输出了毫瓦能量，它以与云层法线成30度的方向通

过厚度为10米的云。若忽略散射影响，则测得射出功率为1.57576和0.01554毫瓦，试求容积消光系数 和垂直光学厚度 四、作业：

（1）由太阳常数S0=1367 W/m2，请计算：①太阳表面的辐射出射度；②全太阳表面的

辐射通量；③整个地球得到的太阳辐射通量占太阳发射辐射通量的份数。

（2）一立方体的黑体，每边长10厘米，如果把它加热到727度，求此黑体放射的辐射能

有多少瓦？

（3）一个物体的辐射通量密度为1396.5瓦/米2，吸收率为0.8，试求其温度等于多少度？ （4）设有一束平行光线与铅直方向成60度的角度入射并通过厚100米的气层，已知气层

的平均气体密度为0.1千克/米3，气层对某波长的吸收系数为10-2米2/千克，试计算某波长通过气层的光学厚度、大气质量数、透明度。

第六章 大气热力学基础

一、要求：掌握大气的热力学基本定律；了解可逆的饱和绝热过程和假绝热过程；了解干、

湿绝热过程和方程，掌握抬升凝结高度、位温、假相当位温等概念；掌握判定稳定度的方法及影响大气层结变化的因子；了解对流性不稳定、逆温层等概念；熟练地使用T-lnP图分析大气。 二、考试内容

（1）应用于大气的热力学基本定律 （2）大气中的干绝热过程

（3）可逆的饱和绝热过程和假绝热过程 （4）大气热力学图解 （5）绝热混合过程 （6）等压冷却过程 （7）温湿参量 （8）大气的静力稳定度

（9）整层气层升降时稳定度的变化

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（10）逆温层 三、例题：

（1）空气微团的初始温度为15℃，从1000百帕处绝热抬升，求在抬升凝结高度上的微

团温度。若微团进一步抬升200百帕，求它的最终温度，在抬升过程中凝结出多少液态水？

（2）标出LCL、CCL及LFC的高度，分析地面气块绝热上升时不稳定能量的垂直分布

情况，确定大气层属于哪种稳定度。①当天最高气温要达到多少度才有可能出现热雷雨？②判断1000～900hPa及850～800hPa是否对流性不稳定？为什么？

（3）在400百帕处，空气微团温度为230开，试问它的位温等于多少？若微团绝热下降

到600百帕处，温度为多少？

（4）近地层湿空气微团的气压、温度、湿度分别为1000百帕、25℃、16.3千克，试计算

凝结高度。 四、作业：

（1）气流在 p = 950hPa 时

。气流遇山坡被抬升，山顶压强为700hPa，

过山后下沉。若凝结出的水分70％在爬坡途中降落，求背风面950hPa处气流的温度，比湿及位温，假相当位温。

TPc?()p变为pVcv?常数的形式。 （2）试把泊松方程T0P0（3）在1000百帕高度上有一未饱和湿空气微团，当它上升到500百帕高度时，温度由原

来290开增加为295开，试问未饱和湿空气微团每上升100米吸收多少焦耳的热量？ （4）已知空气微团P=990百帕，t?25℃，??10℃，求：

a. 在该状态的?,q,qs,f,Zg,?se,?sw,e,E,TV. b. 该空气微团上升到凝结高度时的p,T,f,?,?se. c.

教 材： 盛裴轩，毛节泰等编著：大气物理学（1~6章），北京大学出版社，2003 参考书目： 华莱士、霍布斯著，王鹏飞等译，大气科学概观，上海科学技术出版社，1981 徐绍祖主编：大气物理学基础，气象出版社，1993

徐玉貌、刘红年、徐桂玉编著：大气科学概论，南京大学出版社，2000

附录：考试样卷

一、单项选择题（每小题 1.5 分，共 60 分）： 二、名词解释与简答（每小题 5 分，共 20 分） 三、分析与计算题（每小题 10 分，共 20 分）

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Rcp该空气微团从初态绝热上升到凝结高度的过程中，其对外做（比）功为多少？

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