大氣物理學(xué)復(fù)習(xí)提綱及重點(diǎn)難點(diǎn)講解大氣物理學(xué)作為大氣科學(xué)的核心基礎(chǔ)學(xué)科，聚焦于大氣的物理性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換及動(dòng)力過(guò)程，是理解天氣演變、氣候系統(tǒng)及大氣環(huán)境的關(guān)鍵。復(fù)習(xí)時(shí)需以“概念-過(guò)程-機(jī)制-應(yīng)用”為脈絡(luò)，既要夯實(shí)基礎(chǔ)理論，又要把握不同尺度下的物理聯(lián)系。以下結(jié)合學(xué)科核心內(nèi)容，梳理復(fù)習(xí)提綱并解析重點(diǎn)難點(diǎn)。一、復(fù)習(xí)提綱：知識(shí)模塊與核心內(nèi)容（一）大氣的基本性質(zhì)與結(jié)構(gòu)1.大氣成分干潔空氣（N?、O?等）的化學(xué)穩(wěn)定性，CO?、O?的氣候/環(huán)境效應(yīng)；水汽的相變特性（蒸發(fā)、凝結(jié)、升華），氣溶膠的“直接輻射強(qiáng)迫”（散射/吸收太陽(yáng)輻射）與“間接效應(yīng)”（影響云微物理）。*重點(diǎn)*：水汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨高度、緯度的變化規(guī)律；*難點(diǎn)*：氣溶膠的“云凝結(jié)核-云滴數(shù)濃度-降水效率”反饋鏈（Twomey效應(yīng)與Albrecht效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)）。2.大氣垂直結(jié)構(gòu)對(duì)流層（湍流混合、溫度垂直遞減）、平流層（臭氧加熱、溫度逆增）等分層的溫度、成分、運(yùn)動(dòng)特征；對(duì)流層頂?shù)母叨扰c溫度突變，平流層臭氧的“生成-損耗”光化學(xué)平衡。*重點(diǎn)*：對(duì)流層的“動(dòng)力不穩(wěn)定性”（垂直運(yùn)動(dòng)與天氣系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)）；*難點(diǎn)*：平流層-對(duì)流層物質(zhì)交換（行星波破碎、湍流混合）的機(jī)制。3.大氣物理量氣壓（靜力平衡方程）、溫度（干絕熱遞減率γ_d=9.8K/km）、濕度（混合比r、比濕q、相對(duì)濕度RH）的定義與轉(zhuǎn)換；虛溫T_v（修正水汽對(duì)氣壓的影響）、位溫θ（絕熱過(guò)程的保守量）的物理意義。*重點(diǎn)*：位溫的“保守性”（干絕熱過(guò)程中θ守恒，濕絕熱過(guò)程中θ_e近似守恒）；*難點(diǎn)*：斜壓坐標(biāo)系下（等位溫面）的物理量分析（如鋒面附近的位溫梯度）。（二）大氣輻射學(xué)1.輻射基本定律普朗克定律（黑體光譜輻射通量密度）、斯特藩-玻爾茲曼定律（總輻射與溫度的四次方）、維恩位移定律（峰值波長(zhǎng)與溫度的反比）；實(shí)際大氣的“非黑體”特性（如CO?的15μm吸收帶、O?的紫外吸收帶）。*重點(diǎn)*：定律的適用條件（黑體/灰體假設(shè)）；*難點(diǎn)*：非灰體大氣的輻射傳輸（需分波段處理吸收系數(shù)）。2.大氣輻射傳輸輻射通量（輻照度、出射度）、輻射傳輸方程（含吸收、發(fā)射、散射項(xiàng)）；平面平行大氣近似（忽略水平輻射傳輸）、單次散射近似（薄云/氣溶膠的輻射計(jì)算）。*重點(diǎn)*：二流近似（將輻射場(chǎng)分為上行、下行流，簡(jiǎn)化多次散射）；*難點(diǎn)*：delta-Eddington近似（處理強(qiáng)前向散射的云滴/氣溶膠，如米散射）。3.地氣系統(tǒng)輻射平衡太陽(yáng)短波輻射（大氣頂?shù)娜肷?、反射、吸收）、地面長(zhǎng)波輻射（大氣逆輻射與溫室效應(yīng)）；大氣窗區(qū)（8-12μm，長(zhǎng)波輻射可直達(dá)太空）、云的“輻射強(qiáng)迫”（高云增溫、低云降溫）。*重點(diǎn)*：輻射平衡的能量收支計(jì)算（大氣頂凈輻射為0時(shí)的氣候態(tài)）；*難點(diǎn)*：云-輻射反饋（如全球變暖下云量/云型變化對(duì)輻射平衡的影響）。（三）大氣熱力學(xué)1.干空氣熱力學(xué)絕熱過(guò)程（dQ=0）、泊松方程（θ=T(1000/p)^(R_d/c_p)），干絕熱遞減率γ_d的推導(dǎo)；位溫的“保守性”（干絕熱上升/下沉?xí)rθ不變，用于追蹤氣團(tuán)源地）。*重點(diǎn)*：位溫在鋒面分析中的應(yīng)用（鋒區(qū)的位溫梯度大）；*難點(diǎn)*：非絕熱過(guò)程（如輻射加熱、潛熱釋放）對(duì)位溫的影響。2.濕空氣熱力學(xué)飽和水汽壓（克勞修斯-克拉佩龍方程），混合比r、比濕q的關(guān)系；假相當(dāng)位溫θ_e（濕絕熱過(guò)程的保守量，包含顯熱與潛熱）。*重點(diǎn)*：θ_e的物理意義（氣團(tuán)的“總能量”）；*難點(diǎn)*：濕絕熱過(guò)程的溫度廓線（γ_m<γ_d，且隨溫度升高γ_m趨近于γ_d）。3.大氣穩(wěn)定度層結(jié)曲線（環(huán)境溫度廓線T(z)）與狀態(tài)曲線（氣團(tuán)絕熱上升的溫度廓線T’(z)）的比較；穩(wěn)定度判據(jù)（γ<γ_d為穩(wěn)定，γ>γ_d為不穩(wěn)定，γ_m<γ<γ_d為條件性不穩(wěn)定）。*重點(diǎn)*：理查遜數(shù)Ri（湍流發(fā)展的判據(jù)，Ri<0.25時(shí)湍流增強(qiáng)）；*難點(diǎn)*：條件性不穩(wěn)定的“觸發(fā)機(jī)制”（地形抬升、鋒面強(qiáng)迫、對(duì)流泡）。（四）大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.流體力學(xué)基本方程連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）、運(yùn)動(dòng)方程（納維-斯托克斯方程，考慮氣壓梯度、科氏力、粘性力）、熱流量方程（能量守恒）；尺度分析（大、中、小尺度運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化）。*重點(diǎn)*：地轉(zhuǎn)近似（科氏力≈氣壓梯度力，v_g=(1/(ρf))?_hp×k**）；*難點(diǎn)*：準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論（位勢(shì)高度傾向方程、ω方程）的應(yīng)用（如預(yù)報(bào)槽脊移動(dòng)）。2.大氣波動(dòng)聲波（氣壓擾動(dòng)）、重力波（浮力擾動(dòng)）、羅斯貝波（行星渦度梯度）；波動(dòng)的“頻散”（相速≠群速，如羅斯貝波群速大于相速）。*重點(diǎn)*：不同波動(dòng)的“濾波條件”（如大尺度運(yùn)動(dòng)可濾除聲波，中尺度需考慮重力波）；*難點(diǎn)*：波動(dòng)的“能量轉(zhuǎn)換”（如對(duì)流不穩(wěn)定激發(fā)重力波，行星波與天氣尺度波動(dòng)的相互作用）。（五）云霧與降水物理學(xué)1.云的微物理過(guò)程核化過(guò)程（均質(zhì)核化：水汽過(guò)飽和到臨界半徑；異質(zhì)核化：氣溶膠作為凝結(jié)核，接觸角θ影響臨界半徑）；云凝結(jié)核（CCN）的活化條件（寇拉曲線：過(guò)飽和度S與臨界半徑r_c的關(guān)系）。*重點(diǎn)*：CCN的“數(shù)濃度-過(guò)飽和度”關(guān)系（冪律分布）；*難點(diǎn)*：異質(zhì)核化的“接觸角分布”（不同氣溶膠類(lèi)型的θ差異）。2.降水形成冷云過(guò)程（貝吉龍過(guò)程：冰晶-過(guò)冷水滴的水汽擴(kuò)散）、暖云過(guò)程（碰并增長(zhǎng)：大云滴捕獲小云滴）；降水粒子的下落末速（雨滴：v≈9.65r^0.5，r以cm為單位）。*重點(diǎn)*：貝吉龍過(guò)程的“溫度窗口”（-15℃至0℃，過(guò)冷水豐富）；*難點(diǎn)*：降水粒子的“譜分布”（如雨滴的Marshall-Palmer分布）。3.人工影響天氣冷云催化（AgI、干冰，提供冰晶核）、暖云催化（鹽粉、尿素，提供大云滴核）；催化的“最佳時(shí)機(jī)”（云的發(fā)展階段、過(guò)飽和度、云滴譜）。*重點(diǎn)*：催化的“冰晶效應(yīng)”（冷云）與“碰并效應(yīng)”（暖云）；*難點(diǎn)*：催化效果的數(shù)值模擬（需耦合微物理與動(dòng)力過(guò)程）。（六）大氣電學(xué)與光學(xué)1.大氣電學(xué)晴天電場(chǎng)（地面為負(fù)，大氣為正）、雷暴電荷分離（對(duì)流起電、溫差起電、破碎起電）；閃電的物理過(guò)程（先導(dǎo)放電、回?fù)簦?重點(diǎn)*：雷暴的“三極性電荷結(jié)構(gòu)”（云底負(fù)、云頂正、云底下方正）；*難點(diǎn)*：閃電的“觸發(fā)機(jī)制”（電場(chǎng)擊穿的臨界條件）。2.大氣光學(xué)散射（瑞利散射：λ^-4，晴空藍(lán)光；米散射：λ^-1，云的白色）、折射（蒙氣差、海市蜃樓）。*重點(diǎn)*：散射相函數(shù)（描述散射角的分布，瑞利相函數(shù)為(3/4)(1+cos2θ)）；*難點(diǎn)*：大氣能見(jiàn)度的計(jì)算（消光系數(shù)與能見(jiàn)度的關(guān)系，V=3.912/σ_ext）。二、重點(diǎn)難點(diǎn)深度講解（一）大氣輻射傳輸?shù)摹岸啻紊⑸洹彪y題輻射傳輸方程包含吸收、發(fā)射、散射項(xiàng)，其中散射的多次迭代是數(shù)值計(jì)算的核心難點(diǎn)。以云的輻射傳輸為例：?jiǎn)未紊⑸浣七m用于薄云（光學(xué)厚度τ<1），但厚云（τ>10）需考慮多次散射，此時(shí)需用“二流近似”或“蒙特卡洛模擬”。二流近似將輻射場(chǎng)分為上行（I↑）和下行（I↓）流，假設(shè)輻射在垂直方向均勻，通過(guò)解聯(lián)立方程簡(jiǎn)化計(jì)算（需結(jié)合云的光學(xué)厚度、粒子尺度調(diào)整近似方法）。（二）假相當(dāng)位溫（θ_e）的物理意義與應(yīng)用θ_e是濕空氣熱力學(xué)的核心概念，其保守性（濕絕熱過(guò)程中θ_e≈常數(shù)）源于“潛熱釋放與顯熱變化的平衡”：氣團(tuán)絕熱上升時(shí)，水汽凝結(jié)釋放潛熱，使氣團(tuán)溫度高于干絕熱降溫，θ_e通過(guò)“exp(L_vr_s/(c_pT))”項(xiàng)保留了潛熱的影響。應(yīng)用：分析氣團(tuán)的“能量屬性”——θ_e高的氣團(tuán)更不穩(wěn)定（潛熱釋放潛力大），常用于暴雨、臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的診斷（如θ_e鋒區(qū)的存在指示能量鋒）。（三）云霧物理的“核化與增長(zhǎng)”耦合云的形成是“核化-增長(zhǎng)-降水”的連續(xù)過(guò)程，其中核化與增長(zhǎng)的耦合是理解云微物理的關(guān)鍵：核化階段：氣溶膠作為CCN，過(guò)飽和度S需超過(guò)臨界值（寇拉曲線），CCN數(shù)濃度決定云滴數(shù)濃度（N_CCN↑→云滴半徑r↓，Twomey效應(yīng)）。增長(zhǎng)階段：云滴通過(guò)凝結(jié)（水汽擴(kuò)散）和碰并（湍流或重力沉降）增長(zhǎng)，r小的云滴凝結(jié)快（曲率效應(yīng)），r大的云滴碰并快（r2定律）。三、復(fù)習(xí)建議（一）概念串聯(lián)：構(gòu)建“物理過(guò)程鏈”輻射加熱→大氣熱力學(xué)（溫度廓線、穩(wěn)定度）→動(dòng)力學(xué)（垂直運(yùn)動(dòng)、波動(dòng)）→云微物理（核化、增長(zhǎng)）→降水/天氣現(xiàn)象（暴雨、雷暴）。示例：太陽(yáng)輻射加熱地面→地面長(zhǎng)波輻射加熱大氣→對(duì)流層不穩(wěn)定→觸發(fā)對(duì)流→上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生過(guò)飽和→云形成→潛熱釋放增強(qiáng)上升→雷暴發(fā)展。（二）公式推導(dǎo)：理解“假設(shè)與意義”推導(dǎo)輻射傳輸方程（從能量守恒出發(fā)，明確“平面平行大氣”等假設(shè)的合理性）；推導(dǎo)泊松方程（干絕熱過(guò)程的熵守恒）；推導(dǎo)克勞修斯-克拉佩龍方程（從相平衡的化學(xué)勢(shì)出發(fā)）。（三）案例分析：結(jié)合“天氣現(xiàn)象”分析暴雨的形成：需滿足“充足水汽、不穩(wěn)定層結(jié)、動(dòng)力抬升”，結(jié)合θ_e鋒區(qū)、水汽通量輻合等診斷；分析平流層臭氧空洞：源于氟氯烴破壞O?的光化學(xué)平衡