《大气物理与大气探测学》知识点

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《大气物理与大气探测学》知识点

1.  熟悉大气物理与大气探测学研究的内容，也要明白大气物理与大气探测的区别。

大气物理学是研究大气的物理现象（声光电等）、物理过程及其演变规律的学科，是大气科学的一个分支。

大气探测学是大气科学的另一个基础性学科分支，主要研究大气状态和过程的信息探测技术、观测方法和信息处理技术。探测的对象包括地面和高空的大气状态和过程参数 。

2.         基本名词的理解，从大气科学的角度解释，温室效应，温室气体，阳伞效应，ENSO，酸雨，大气污染，雾，露点（霜点），沙尘暴，极光，臭氧空洞，湖陆风（焚风），城市热岛，大气中的光现象解释（如海市蜃楼，虹，天空蓝色，海洋蓝色等），平流层急剧增温（SSW）

1） 温室效应：太阳（短波）辐射通过大气层到达地面并被其吸收，地面（长波）辐射则几乎全部被大气所吸收，大气向外太空和地面发出长波辐射，后者称为大气逆辐射，使地面升温。

2） 温室气体：指二氧化碳、甲烷、一氧化二氮及水汽等。其中CO2是最主要的温室气体，主要来自火山喷发、有机物的燃烧、腐烂及动植物的呼吸等。

3） 阳伞效应：由于排入空气的烟尘不断增加，使到悬浮在大气中的气溶胶颗粒就象地球的遮阳伞一样，反射和吸收太阳辐射，引起地面降温。

4） ENSO：ENSO循环： ENSO (El Niño-Southern Oscillation)circulation 赤道太平洋海面水温的变化与全球大气环流尤其是热带大气环流紧密相关。其中最直接的联系就是日界线以东的东南太平洋与日界线以西的西太平洋—印度洋之间海平面气压的反相关关系，即南方涛动现象（SO）。在拉尼娜期间，东南太平洋气压明显升高，印度尼西亚和澳大利亚的气压减弱。厄尔尼诺期间的情况正好相反。鉴于厄尔尼诺与南方涛动之间的密切关系，气象上把两者合称为ENSO（音“恩索”）。这种全球尺度的气候振荡被称为ENSO循环。厄尔尼诺和拉尼娜则是ENSO循环过程中冷暖两种不同位相的异常状态。因此厄尔尼诺也称ENSO暖事件，拉尼娜也称ENSO冷事件。

5）酸雨：大气中含有的二氧化硫在常温下溶解于雨水中并达到气液相平衡后，雨水之pH值约为5.6。

6） 大气污染：由于人类活动或自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人、动植物及环境的现象。

7）雾：雾是水汽凝结(华)物悬浮于大气边界层内，使地面水平能见度降至1km以下的天气现象。

8）露点（霜点）：在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点（td）。其单位与气温相同。

9） 沙尘暴：沙尘暴(sand duststorm) 是沙暴 (sandstorm) 和尘暴 (duststorm) 两者兼有的总称，是指强风把地面大量沙尘物质吹起并卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于 一千米的严重风沙天气现象。

10） 极光：极光（Polar light，aurora）是由于太阳带电粒子（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极称为南极光，在北极称为北极光。

11） 臭氧空洞：人类生产生活中向大气排放的氯氟烃等化学物质在扩散至平流层后与臭氧发生化学反应，导致臭氧层反应区产生臭氧含量降低的现象。

12） 湖陆风（land-lake breeze）是在沿湖地区，由于大陆地面的夜间冷却和白天加热作用，在夜间风从大陆吹向湖区，昼间风从湖面吹向陆地而形成的一种地方性的天气气候现象。焚风（Foehn;hn wind）是出现在山脉背面，由山地引发的一种局部范围内的空气运动形式——过山气流在背风坡下沉而变得干热的一种地方性风。

13） 城市热岛：城市热岛效应(Urbanheatislandeffect)是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就象突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。

14）大气中的光现象解释：

海市蜃楼是一种因光的折射而形成的自然现象。

虹，阳光射入水滴(雨滴、毛毛雨滴或雾滴)经折射和反射而在雨幕或雾幕上形成视角半径约42°的彩色(内紫外红)或白色光环。

天空蓝色，我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。散射强度与微粒的大小有关。当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，不同波长的光被散射的比例不同，此亦成为选择性散射。当太阳光进入大气后，空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。以入射的太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例，，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。但是，当空中有雾或薄云存在时，因为水滴的直径比可见光波长大得多，选择性散射的效应不再存在，不同波长的光将一视同仁地被散射，所以天空呈现白茫茫的颜色。（另可参看《大气遥感》P97页）

海洋蓝色：当太阳光照射到海面时，大海像个透明的三棱镜。太阳光被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。这七色光线的波长不同，被海水吸收和散射的程度也不同。红、橙、黄的波长比较长，射入水中穿透力强，容易被水分子吸收，使海水的温度提高。蓝光和一部分绿光，光波比较短，穿透力差，容易发生散射。在深海里红橙光大都被海水吸收掉了，这就使海水呈现出蓝色了。

15） 平流层急剧增温（SSW）：平流层爆发性增温（stratospheric sudden warming）也称平流层突然增温，指冬季极地平流层下部出现的迅速增暖现象。虽然平流层中年平均经向温度梯度与对流层中相反，由极地指向赤道，但在正常情况下，冬季温度极大区却在北纬45°附近，分别向极地和赤道递减，因而冬季极地平流层是一西风涡旋。然而，隔数年时间，这种冬季正常的冷性极地西风涡旋型式会突然在仲冬崩溃，短短几天内，极地平流层便迅速增暖，有时，50hPa高度上的增温竟达40℃之多，并建立起一支绕极的东风气流。这种突然增暖现象只在北半球观测到，南半球未见。因而有关研究认为是地形强迫形成的纬向波数为1和2的行星波动产生了能量从对流层垂直向上传播造成的。在北半球，只有在条件能使能量充分向上传播的某些冬季，才会出现平流层爆发性增暖现象。

3.         基本专业词汇的理解，气溶胶的物理特性参数，粒子尺度谱，折射率，粒子形状；气溶胶的光学特性参数，如光学厚度，消光系数，吸收系数，散射系数（或消光吸收散射效率），单次散射反照率，不对称因子，相函数等。

a)        云的光学特性参数，全球变化，全球气候变化，地球系统科学，大气层结构及特征，降水（暖云降水，冷云降水）形成的条件（过程机制），人工影响天气，大气边界层特征，地气系统辐射收支平衡的解释等。

    1）气溶胶的物理特性参数：

粒子尺度谱：略

折射率：sinθi /sinθt = υ1/υ2 = m  m是第二种介质相对于第一种介质的折射率。

粒子形状：（根据Mie散射理论，把气溶胶粒子近似看作球形粒子，可以算出它的消光效率因子。）

2）气溶胶的光学特性参数：

光学厚度：定义点s1和s2之间的介质的光学厚度为： 大气物理与大气探测学（考研复习资料）

消光系数：当消光截面乘以粒子数密度（厘米-3）或当质量消光截面乘以密度（克·厘米-3）时，该量称为“消光系数”，它具有长度倒数（厘米-1）的单位。

吸收系数：根据比尔定律，吸光度A与吸光物质的浓度c和吸收池光程长b的乘积成正比。当c的单位为g/L，b的单位为cm时，则A=abc，比例系数a称为吸收系数。

散射系数（或消光吸收散射效率）：单位容积的散射介质在各方向散射的总量与入射通量之比。

单次散射反照率：辐射发生每一次消光（或简称散射）过程中，遭受散射的百分比。

不对称因子：为了表示前向散射与后向散射的对称性，在研究散射问题时，引入了不对称因子。不对称因子定义为散射角余弦的加权平均值，值域为[-1,1]。不对称因子同时也是相函数的一阶矩，在辐射传输研究中是一个重要参数。对于各向同性散射情况，由于辐射在所有方向的分布是相同的，不对称因子为g=0（比如瑞利散射的情况）。当相函数的衍射峰变陡峭时，不对称因子增大。如果相函数峰值出现在朝后的方向（90°～180°），则不对称因子可为负值。对于很强的后向散射，不对称因子接近-1。对于洛伦兹-米类型的粒子，它的相函数在0°散射角普遍有尖峰，所以不对称因子表示了前向散射的相对强度。对于很强的前向散射，不对称因子接近为+1； 　　也就是说，不对称因子用于描述前向散射和后向散射分别占有的份额。对于实际大气，通常认为大气在水平方向是均匀的，不同之处表现在向上和向下的辐射的不同。这时不对称因子也可用于表达向上和向下辐射流的近似，即二流近似。卫星接收到的辐射基本上是大气分子和气溶胶的后向散射。

相函数：综合方向上每单位立体角内的粒子散射能量与粒子所有方向平均的每单位立体角内的散射能量之比，记为p(θ)，θ为散射角。

3）云的光学特性参数：

全球变化（global change）：全球变化是地球环境中所有的自然和人为因素引起的能够改变地球承载生命能力的变化。主要包括气候变化、大气组成变化，生物多样性的丧失、荒漠化以及由于人口、经济、技术和社会的压力引起土地利用的变化和土地覆盖变化等。

全球气候变化（global climate change）：全球气候变化是全球变化的核心，主要是指由于大气CO2 等温室气体浓度的上升所引起的全球变暖，以及由此引发的降水格局变化、冰川退化、海平面上升等一系列变化。

地球系统科学：地球系统是由地球自然圈层构成的系统。广义的讲，把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、冰雪圈和生物圈等组成的系统。地球系统包含了下部固体地球系统、上部的物理气候系统和全球生态系统，分别控制着水循环、生物地球化学循环和能量循环。三个循环（生物物理化学过程）相互有机地联系成为一个完整的体系。是地球上所有生物生存的空间和活动的场所。地球系统科学是从传统的地球科学脱胎而来的。人类的生活要从环境中获取食物、能源，故必然关心所居住的环境，对所立足的地球产生求知欲，于是逐渐形成了地球科学的各分支，如气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等。

大气层结构及特征：① 对流层：赤道约17-18km，中纬度平均约为12km，极地约为8km。热力特征为温度随高度的增加而递减，递减率为6.5K/km。② 平流层：从对流层顶至约50km高度的大气层。主要由于大气臭氧对太阳紫外辐射的强烈吸收，平流层内温度随高度增加而增高，上半部的温度增高明显大于下半部，到平流层顶，温度可达270~290K。③ 中间层：从平流层顶至85km左右的大气层。温度随高度的增加而递减，而且递减率远大于对流层的情形。④ 热层和外逸层：热层从平流层顶至250km（太阳宁静期）或500km（太阳活动期）的大气层，温度随高度的增加迅速增高，可达2000K，因此称为热层。在热层之上直至2000~3000km是大气的最外层，空气极端稀薄，一些高速运动的中性分子可摆脱大气重力场，向星际空间逃逸，因而称为外逸层。

降水（暖云降水，冷云降水）形成的条件（过程机制）：

① 冷云人工增雨：原理：过冷云中，如果因为缺乏冰晶或冰晶甚少而不能降水或降水强度甚弱的话，可以人工地增加云内冰晶浓度以引发云层降水或增大其强度。人工地引进一定数量的冷云催化剂，如干冰、AgI，使云中产生足够数量的冰晶，使云内降水形成过程得以实现。过量播撒冷云催化剂，产生的冰晶数量过多，数密度很大，都不能够增长得足够大，可用此方法延缓或阻止降水发展。

② 暖云人工增雨：大陆性暖积云很难产生降水，降水效率不高。是由于吸湿性巨核极少，云滴谱很窄，云滴大小较均匀，微结构常呈胶性稳定状态，碰并过程进行得很慢。而海洋性暖积云的滴谱较宽，云体内含有较多的大水滴，通过大云滴碰并小云滴，易实现云雨转化。总之，大水滴的存在是暖云降水的关键。

在因为缺乏大水滴而不能降水或降水强度不大的云内，人工地引进大水滴或吸湿性大核，就可以改变云内滴谱分布，使之变宽，则能破坏云体的胶性稳定状态，促使云内碰并过程有效地进行，从而导致降水的产生，提高降水效率。

人工影响天气：现阶段的人工影响天气工作主要是通过人为地在云中播撤（Cloud Seeding）某些物质，改变云、雾和降水的物理过程，以达到以下目的：(1)增雨（雪）Precipitation Increase；(2)消雾、消云Hail Damage Mitigation；(3)抑制冰雹Fog Dispersal。

大气边界层特征：大气边界层是地球表面到一定高度（通常1-2km）的大气层，又称行星边界层（PBL：planetary boundary layer）。大气边界层的大气运动大多是湍流运动，湍流输送对该层的物理过程起着十分重要的作用。

地气系统辐射收支平衡的解释：

4. 基本大气遥感卫星及其上的主要传感器的熟悉，并明白其中英文含义，如EOS/TERRA(AQUA)，其上主要传感器有MODIS,MISR,ASTER。ATRAIN系列卫星，如coudsat,calipso,parasol,aura,oco卫星及其上仪器。等等。

MODIS：全称为中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer）。MODIS是当前世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，有36个离散光谱波段，光谱范围宽，从0.4微米（可见光）到14.4微米（热红外）全光谱覆盖。

MISR：（Multi-angle imaging spectrometer）多角度成像光谱仪。

大气物理与大气探测学（考研复习资料）ASTER：（Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）是搭载在Terra卫星上的星载热量散发和反辐射仪，ASTER是唯一一部高分辨解析地表图像传感器，其主要任务是通过14个频道获取整个地表的高分辨解析图像数据－黑白立体照片。在4到16天之内，当ASTER重新扫描到同一地区，它具有重复覆盖地球表面变化区域的能力。

ATRAIN：美国国家航空航天局(NASA)地球科学事业(ESE：EarthScience Enterprise)的主要信息源于地球观测系统(EoS：EarthobservingSystem)使命和地球系统科学探路者(ESSP；EarthSystemSciencePathfinder)使命。轨道列车(A-Train)计划集中了主要的EOS和ESSP使命，由两颗EOS卫星、三颗ESSP卫星和一颗法国国家空间中心(CNES：FrenchCentreNational d’Etudes Spatiales)卫星组成，以相互靠近的方式编队飞行。该编队经仔细设计和控制，支持不同卫星传感器间的协同，进行组合观测，获取较单颗卫星观测更多的地球状态信息。

5.         遥感的分类，从遥感信号源特征，工作频段等分类，并了解新的遥感工作方式，如临边，曙暮光（掩星法），激光雷达等。

遥感信号源特征：略

工作频段分类：可见光遥感，近红外遥感，微波遥感，热红外遥感，多波段遥感，紫外遥感。紫外遥感，其探测波段在0.3～0.38um之间；可见光，其探测波段在0.38～0.76um之间；红外遥感，其探测波段在0.76～14um之间; 微波遥感，其探测波段在1mm～1m之间。

目前空间遥感气溶胶光学厚度的方法主要有两种：一是邻边扫描法，它从空间探测日出或日落时太阳透射光强以确定平流层气溶胶消光系数分布和光学厚度，但它不适于探测对流层的气溶胶特性。另一方法是从空间探测的向上天空亮度信息反演气溶胶总光学厚度，至今的应用还主要限于下垫面为海洋的情形。对陆地的情形，由于地表反射率一般大于海水反射率，使它对向上亮度的影响更大，加上地表反射率分布的复杂性，空间遥感陆上气溶胶总光学厚度的问题至今并未很好解决。[现代大气物理学研究进展.邱金桓等]

遥感气溶胶光学特性的曙暮光方法：考虑到中、高层大气在曙暮光形成中起主要作用，曙暮光被人们用来遥感平流层气溶胶消光系数分布等信息。[现代大气物理学研究进展.邱金桓等]

全球卫星定位系统(GPS)掩星遥感技术是一种探测全球大气与海洋参数的新手段、新途径，具有全天候、高垂直分辨率等优点。它利用地基、机载或LEO卫星上搭载的接收机，接收穿过大气的掩星信号及来自海面的反射信号反演大气温度、压力、湿度等廓线，无论对大气物理、海洋学、全球气候变化等研究还是对数值天气预报、海上交通、海洋开发等实际应用，都是极为重要的。[邱金桓等：近年来大气遥感研究进展]

激光雷达：激光雷达是探测气溶胶光学特性时空分布的有效手段。激光探测气溶胶和云雨物理光学特性以及能见度等大气光学现象是起步最早、应用最广的激光大气遥感研究领域，主要包括探测云高、云的层次、云中消光系数分布、云的偏振特性、雨强和雨滴谱、大气气溶胶的消光系数分布、折射率和它的谱分布、沙尘暴、与气溶胶的物理光学特性有关的大气现象，如能见度、大气边界层高度、烟尘污染扩散等。这类探测都依据激光后向 弹性 散射的原理。[现代大气物理学研究进展.邱金桓等]

激光雷达能用来测量云、雾、能见度、空中风场、大气密度和大气温度，也可以用来监测空气中的有害气体。[王青梅等：气象激光雷达的发展现状]

6.         大气遥感研究的对象，温度湿度（水汽）廓线，臭氧，微量气体（痕量气体），地表温度，并熟悉气溶胶和云的研究内容和研究进展。了解一些研究对象的研究方法（算法）。

① 空基GPS气象学利用低轨卫星（LEO），用掩星技术测定大气密度气压温度湿度廓线，有相当高的时空密度。还可利用低轨卫星（LEO）低功率激光器测风。

    ② 臭氧层：存在于距地表16~40km的平流层中，浓度最大值在25~30km。臭氧总量极少，不到大气总体的百万分之一。折算为标准状态，其总厚度只有3mm左右。主要作用是：吸收99%的紫外线，使地球上的生命免受毁灭。臭氧洞，指南极上空臭氧总量急剧下降，浓度变得非常水汽

③ 微量气体（痕量气体）：微量气体大约有30多种。这些微量气体中,有的属于温室气体（如CO2、CH4、N2O、O3、HFCS、PFCS、SF6等等）,它们在大气中的变化会对温室效应的增强产生重要影响；有的则对大气中的物理、化学和动力学过程有重要作用（如H2O、CO2、O3等等）；还有一类属于污染气体（如SO2、NOX、CO、O3、VOC等等）,它们会直接影响大气中的化学过程、空气质量,会直接危害人们的身体健康和生存环境。对大气组分的探测有三种基本方法即卫星遥感探测地基遥感探测和直接探测。[现代大气物理学研究进展.邱金桓等]

④ 地表温度：（全球变暖的事实：1、平均地表温度升高；2、大气层温度升高；3、冰雪面积减少；4、平均海平面升高；5、气候系统的某些要素发生了重要变化）

7.         地面大气探测的仪器和基本探测要素及表示方法等。

① 温度的观测：

常用温标有三种：开尔文温标（绝对温标）(K)：Kelvin Temperature Scale、摄氏温标 (℃)：Celsius Temperature Scale、华氏温标(F)：Fahrenheit Temperature Scale

测温仪器的类型：

A.接触式——测温仪器直接放入大气介质中。

（1）玻璃温度表（利用液体膨胀特性；不便转换成电信号）

（2）双金属片温度计（利用固体线膨胀系数之差；自记仪器）

（3）金属电阻温度计（热电效应；性能稳定近似线性灵敏度低)

（4）热敏电阻温度计（半导体电阻随温度特性；灵敏度高，阻值大，体积小，非线性，互换性差）

（5）热电偶温度计（热电效应；可测高温，灵敏度低，冷端电偶需温度固定）

B.非接触式——以遥感方式测量大气温度。

（1）超声温度计  （利用声速随大气温度变化特性；观测速度快，观测记录复杂）

（2）红外线辐射计、微波辐射计（利用物质的辐射效应与温度的特性；可远距离遥测，冠层及大气边界层温度观测）

（3）声学测温雷达（利用声波在大气中的传播与温度的特性；可远距离遥测，大气边界层观测）

② 湿度的观测：

湿度：表示空气中水汽含量的物理量。参数有：1.混合比γ——湿空气中水汽质量为MV，干空气质量为Ma；2.比湿q；3.绝对湿度ρv,单位体积的湿空气中所含的水汽，即：水汽密度、水气浓度；4.水汽的摩尔分数（水汽相对克分子数）；5.水汽压；6.饱和水汽压；7.相对湿度；8.露点温度(Td )、霜点温度(Tf)

测量仪器：干湿球温度表、毛发湿度表

其他测量方法：吸湿称重法、光谱吸收法、氯化锂测湿、碳膜湿敏元件

GPS气象探测技术：全球定位系统气象参数探测（GPS/MET）技术，包括空基GPS气象学和地基GPS气象学：空基GPS气象学利用低轨卫星（LEO），用掩星技术测定大气密度气压温度湿度廓线，有相当高的时空密度。还可利用低轨卫星（LEO）低功率激光器测风。

③ 气压的测量：

气压是大气压力的简称。其数值上等于单位面积上从所在地点向上直至大气层上界的整个空气柱的重量。

大气压力单位：1Pa=1N/m2;  1hpa=100Pa;  1hpa=1mb

1hpa=0.750069mmHg=3/4mmHg

1mmHg=1.333238hPa=4/3hPa

测量气压的仪器：水银气压表、空盒气压表、气压计

百叶箱

④ 风的测量与仪器：

基本知识：1.风：大气相对地面运动的水平分量叫作风。2.风速：单位时间气流运动距离叫做风速。3.风向：风的来向，共计16个方位。

测风仪器：1.台站：EL电接风向风速计、手持风向风速计、雷达测风、气球测风；2.研究：超声风速计、三轴风速计、激光雷达、热线风速仪、气球测风；

风速表和风向标、风向风速仪、风杯风速计和风向标、螺旋浆式风速风向计、三分量风速仪、超声风速仪

⑤ 辐射的测量与仪器：

一 、短波辐射测量

1.太阳短波辐射通量：太阳直接辐射S：垂直于太阳入射光的辐射通量。

2.水平面太阳直接辐射。

3.散射辐射通量D：太阳辐射经过大气或云的散射，以短波形式到达地面的辐射通量。

4.总辐射Q：太阳直接辐射S´和天空散射辐射D到达水平面的总量。

5.短波反射辐射Rk：总辐射到达地面后被下垫面（地表）向上反射的那部分短波辐射分量Rk；下垫面的反射率表示为：Ak=Rk/Q

二、地球长波辐射通量

1.大气长波辐射通量L↓，也称大气逆辐射

2.地表长波辐射通量L↑

3.全辐射：短波辐射和长波辐射之和，称为全辐射。

三、净辐射（辐射平衡）

向下的短波辐射、长波辐射之和与向上的短波辐射、长波辐射之和的差值

仪器：直接辐射表、CE318自动跟踪太阳辐射计、暗筒式日照计

书籍的查阅，查阅综述性论文（如大气物理研究进展，激光雷达研究进展等）。

建议看老师给的文献资料：1. 邱金桓等《近年来大气遥感研究进展》、2. 王青梅等《气象激光雷达的发展现状》、3. 邱金桓等《现代大气物理学研究进展》