《气象学中的大气物理现象》课件

《气象学中的大气物理现象》欢迎参加由中国气象科学研究院精心打造的《气象学中的大气物理现象》专业课程本课程将深入探讨大气物理学的基础概念及其应用，帮助您理解复杂的大气过程与现象作为年课程系列的重要组成部分，我们将系统地介绍大气物理现象的基2025本原理、大气结构与组成、天气系统的形成与演变，以及当前领域的最新研究成果无论您是气象学专业的学生，还是对大气科学感兴趣的研究人员，这门课程都将为您提供全面而深入的知识体系课程概述1大气物理现象基本原理本课程将从物理学角度解析大气中发生的各种现象，包括热力学平衡、辐射传输、水汽相变等基础物理过程，帮助学员建立系统的理论框架2大气结构与组成详细讲解地球大气层的垂直分层结构、主要成分及其分布特征，以及各层大气的物理特性和相互作用机制3天气系统与大气动力学分析天气系统形成的动力学机制，包括气压场、风场、锋面系统以及各类天气系统的结构特征和演变规律4实际应用与前沿研究结合实际案例探讨大气物理理论在天气预报、气候变化研究和环境保护等领域的应用，并介绍该领域最新的科研进展与技术创新第一部分大气基础结构与组成大气层次结构从地表到太空的分层系统主要气体成分占比氮气、氧气及微量气体的构成温度、压力与高度关系物理参数垂直变化规律大气是地球系统的重要组成部分，理解其基础结构与组成是学习气象学的第一步地球大气呈现出明显的层状结构，各层具有不同的温度梯度和物理特性大气中各种气体成分比例相对稳定，但水汽和气溶胶等成分在时空上分布不均，直接影响着天气过程和气候特征温度、压力与高度之间存在密切关系，这些基本物理参数的变化规律是理解大气热力学和动力学过程的基础本部分将系统介绍这些基础知识，为后续章节奠定理论基础大气层的垂直结构对流层（公里）0-11温度随高度递减，天气现象主要发生区平流层（公里）11-50臭氧层所在，温度随高度增加中间层（公里）50-85温度再次随高度递减热层（公里以上）85温度急剧上升，可达℃以上1000大气层的垂直结构是由温度随高度变化的特征来划分的对流层是距离地表最近的大气层，厚度从赤道（约公里）到极地（约公里）逐渐减小在这一层中，温168度大约每升高公里下降℃，绝大多数天气现象都发生在这里

16.5平流层中的臭氧吸收太阳紫外辐射，导致温度随高度上升中间层则是温度再次下降的区域，而在更高的热层中，气体分子稀薄但能吸收强烈的太阳辐射，温度可达到数百甚至上千摄氏度这种垂直温度结构对大气稳定性和垂直运动具有决定性影响大气成分与分布氧气（）水汽（）

20.95%~2%生命活动必需，支持燃烧分布不均，影响天气变化微量气体与气溶胶氮气（）

78.08%二氧化碳、甲烷等温室气体及悬浮颗大气主要成分，化学性质稳定粒地球大气的主要成分是氮气和氧气，它们的比例相对恒定，在全球范围内变化很小氮气以三键分子形式存在，化学性质较为稳定；而氧气则活跃得多，支持燃烧和呼吸过程，是地球生命活动的重要基础水汽含量虽然平均仅约，但其空间分布极不均匀，从热带地区的高含量到极地和高山地区的极低含量水汽是形成云和降水的必要条件，也是地球能量传输的重2%要媒介大气中的气溶胶包括沙尘、海盐、硫酸盐等颗粒物，它们不仅影响能见度，还作为凝结核参与云和降水的形成过程大气参数基本关系气压随高度变化规律约每升高公里，气压降低为原来的102/3理想气体状态方程应用在大气科学中的实际应用PV=nRT温度垂直梯度标准大气中平均约°公里

6.5C/大气静力平衡方程垂直压力梯度与重力的平衡关系大气参数之间存在严格的物理关系，理解这些关系是进行气象分析和预报的基础气压随高度变化遵循指数衰减规律，这是由于上层大气受到的重力压缩逐渐减小在对流层中，气压大约每上升公里减半，

5.5这一规律在航空和高空气象观测中具有重要应用价值理想气体状态方程（）虽然是理想情况下的简化模型，但在实际大气研究中仍有良好的适用性PV=nRT温度垂直梯度（递减率）是大气垂直稳定度的重要指标，影响大气垂直运动和对流发展大气静力平衡方程描述了垂直方向上气压梯度力与重力之间的平衡关系，是理解大气垂直结构的理论基础大气辐射平衡136130%太阳常数反射率W/m²到达地球大气顶的平均太阳辐射通量地球系统反射太阳辐射的平均比例°21C温室效应增温大气温室效应带来的地表平均温度提升地球大气系统的辐射平衡是决定气候的最基本因素太阳辐射是地球能量的主要来源，太阳常数表示在地球大气层顶部、垂直于太阳光线方向上每平方米接收到的太阳辐射能量这一数值约为1361，但由于地球自转和公转，不同纬度和季节接收到的实际辐射量差异很大W/m²地球的反照率（）平均约为，意味着近三分之一的太阳辐射被直接反射回太空剩余的albedo30%辐射被地表和大气吸收后，以长波辐射形式重新释放温室气体（如水汽、二氧化碳等）吸收并重新发射部分长波辐射，形成温室效应，使地球平均温度比无大气情况高约°，维持了适宜生命存在21C的环境条件第二部分热力学过程绝热过程基本原理大气稳定度判断绝热过程是大气中常见的热力学过程，大气稳定度是评估天气系统发展潜力指气块在上升或下沉过程中与环境无的关键指标，通过比较环境温度递减显著热量交换的情况由于压力变化率与绝热递减率来判断不同的稳定导致气块温度相应变化，这直接影响度条件决定了云的发展高度、降水强大气的稳定性和天气发展度和天气系统的演变方向湿绝热与干绝热过程干绝热过程发生在未饱和空气中，递减率约°公里；而湿绝热过程则伴随

9.8C/水汽凝结释放潜热，递减率较小且变化范围为°公里，这一差异是理解云4-9C/和降水形成的基础大气热力学过程是气象学的核心内容之一，它决定了垂直气流的发展和抑制，直接影响云和降水的形成本部分将系统介绍绝热过程的基本原理、大气稳定度的判断方法，以及干湿绝热过程的区别与应用，为理解大气对流和天气系统发展奠定基础绝热过程基础干绝热递减率湿绝热递减率位温与等熵面当未饱和空气上升时，其温度递减率约当空气中的水汽在上升过程中达到饱和位温是将空气绝热压缩或膨胀到标准气为°公里这一数值源自理想气并开始凝结时，释放的潜热部分抵消了压（）时的理论温度，在干绝

9.8C/1000hPa体定律和热力学第一定律的结合应用，膨胀引起的冷却，导致湿绝热递减率显热过程中保持不变等位温面（等熵面）与空气成分和环境条件无关，因此在大著小于干绝热递减率，且其值随温度变是大气分析中的重要工具，用于追踪气气科学中被视为常数化块运动和识别空气团物理原因气压降低导致气块膨胀做变化范围通常为°公里物理意义代表气块的热力学属性••4-9C/•功影响因素气温和水汽含量应用大气分层稳定性分析••计算公式°•Γd=g/cp≈

9.8C/km大气稳定度分类绝对稳定环境递减率湿绝热递减率气块上升时始终比周围环境冷，会返回原位置这种条件抑制垂直运动，常见于高压区下沉气流影响下的晴朗天气条件不稳定湿绝热率环境率干绝热率未饱和气块上升时趋于稳定，但如果达到饱和则变得不稳定这是最常见的大气状态，绝对不稳定有利于对流云发展但需要外力触发环境递减率干绝热递减率气块无论是否饱和，上升时都比周围环境暖，将持续上升这种情况常导致强烈的对潜在不稳定流活动，容易形成雷暴云等相当位温随高度递减整层抬升时稳定层结可转变为不稳定状态，往往与锋面系统和地形抬升有关，是预报强降水的重要指标大气稳定度是制约垂直运动发展的关键因素，直接影响天气系统的形成和演变稳定度评估通常通过比较环境温度递减率与干湿绝热递减率来进行在实际应用中，气象学家通过探空资料绘制的图来分析大气稳定度结构，进而预测对流云的发展潜力Skew-T大气能量与CAPE第三部分大气中的水汽过程相变基本原理水在大气中可以存在为气态（水汽）、液态（云滴、雨滴）和固态（冰晶、雪花、冰雹）等多种形态，它们之间通过吸收或释放潜热进行相互转化，这些相变过程是大气能量传递的重要途径云形成机制云的形成需要具备三个基本条件足够的水汽含量、冷却机制（如上升运动导致绝热冷却）以及适当的凝结核不同的大气环境条件会导致多种类型的云系统形成降水过程降水的形成涉及复杂的微物理过程，包括水滴增长、冰晶形成与增长，以及降水粒子的融化与蒸发了解这些过程对于准确预测降水类型、强度和时空分布至关重要水汽过程是大气物理学的核心内容之一，它不仅直接塑造了我们熟悉的各种天气现象，还在全球能量平衡和气候调节中扮演着关键角色大气中的水循环通过潜热传输来自赤道地区的多余热量，调节地球表面温度分布本部分将系统介绍水汽相变的物理机制、云的分类与形成条件，以及各类降水形成的理论与过程，帮助学员深入理解大气水汽循环的完整过程，为后续学习实际天气系统打下坚实基础水汽与湿度参数相对湿度实际水汽压与饱和水汽压之比露点温度空气冷却至饱和时的温度比湿与混合比水汽质量占比的两种表达方式水汽压水汽分子贡献的分压力湿度是描述大气中水汽含量的重要参数相对湿度是最常用的湿度指标，表示当前空气中的水汽含量相对于同温度下最大可能水汽含量的百分比相对湿度达到时，空气达到饱和状态，水汽开始凝结露点温度是100%空气必须冷却到的温度，使其中的水汽达到饱和状态，它是表征实际水汽含量的直观指标饱和水汽压随温度升高而迅速增加，大约每升高°增加一倍，这一特性解释了为什么温暖空气能容纳更多10C水汽在气象观测中，通常使用干湿球温度计或电子传感器测量相对湿度，而高空湿度观测则主要依靠无线电探空系统准确的湿度测量对于天气预报、农业生产和民生应用都具有重要意义蒸发与冷凝过程蒸发水汽输送液态水分子获得足够能量，克服表面张力进入大大气环流系统将水汽从源区输送到其他区域气冷凝云滴增长水汽在凝结核表面凝结成微小水滴，形成云或雾冷凝继续进行，云滴通过碰并增长成为雨滴蒸发是水分子从液态跃迁到气态的过程，需要吸收大量潜热（约）蒸发速率受多种因素影响，包括温度、风速、湿度梯度和表面特性等在全球2500J/g尺度上，蒸发主要发生在海洋表面，约占总蒸发量的，这些水汽随后被大气环流输送到陆地区域85%冷凝是水汽转变为液态水的过程，通常需要冷凝核的存在自然界中的冷凝核主要是气溶胶颗粒，尺寸通常在微米范围内在这些微小颗粒表面，水汽

0.1-1分子更容易聚集并形成液滴值得注意的是，即使在相对湿度的条件下，水汽要在纯净空气中自发凝结也需要约的过饱和度，这在自然界中几乎100%400%不可能达到，因此冷凝核的存在对云的形成至关重要云的分类系统国际云分类系统将云按高度和形态分为四大类十种基本云型高云包括卷云、卷层云和卷积云，它们通常出现在公里的高空，主要由冰晶组成，呈现纤维状或6-18薄片状结构中云包括高层云和高积云，存在于公里的高度，可能由水滴和冰晶混合构成2-7低云包括层云、层积云和积云，它们出现在公里以下的高度，主要由水滴组成垂直发展云是指从低层向上延伸至中高层的云系，最典型的是积雨云，它可以从地2面附近发展到平流层底部，垂直厚度达十几公里云的准确识别和分类对于天气观测和预报具有重要意义，不同类型的云系往往预示着特定的天气条件和发展趋势降水形成理论碰并增长理论冰晶理论柏格隆过程解释暖云降水过程，云滴通适用于中高纬度地区的混合描述冰晶变为雪花再融化成过碰撞和合并增长为雨滴相云，冰晶在过冷水滴环境雨滴的完整过程这是温带这一过程在热带和亚热带地中快速增长由于冰晶表面地区降水的主要形成机制，区的暖云（云顶温度°）饱和水汽压低于水滴，形成涉及复杂的相变过程和微物0C中尤为重要，需要足够的云水汽压差，导致冰晶优先增理相互作用，解释了为什么水含量和垂直厚度支持长，这一机制效率远高于单雨滴尺寸通常具有一定的均纯的碰并过程一性降水的形成需要云滴从微米级增长到毫米级，这一过程在自然条件下通常需要分20-30钟云滴的初始增长主要依靠凝结作用，但单纯依靠凝结难以形成足够大的雨滴因此，碰并过程和冰晶机制在实际降水形成中发挥着关键作用人工降雨技术正是基于这些理论发展而来通过向云中播撒碘化银等凝结核或冰核，可以促进云中水汽凝结或冰晶形成，加速降水过程在中国，这一技术已广泛应用于干旱地区增雨和大城市周边抑制冰雹等领域，成为气象灾害防御和水资源管理的重要手段雨、雪、冰雹的形成雨滴形成与增长雪花结晶与形态冰雹形成机制雨滴的形成通常需要云滴通过碰并过程雪花是大气中水汽直接凝华或过冷云滴冰雹形成于强对流云系统中，需要强大增长到临界直径约毫米以上当雨滴冻结而形成的冰晶，其精致的六角结构的上升气流（通常）支持冰

0.120m/s直径增长到毫米时，由于空气阻力源于水分子的氢键排列方式雪花的具雹胚胎在云中多次上升下落，不断获得2-3作用，雨滴会从球形逐渐变为底部扁平体形态与温度和过饱和度密切相关，可过冷水滴的积累而增长，形成典型的同的形状；超过毫米时，雨滴往往会因空以呈现出针状、板状、枝状等多种几何心环状结构冰雹的尺寸与云系统的强5气动力作用分裂成更小的液滴形态度、生命周期和环境条件密切相关小雨直径温度°六角柱状小冰雹直径•

0.5mm•-2C•1cm中雨直径温度°六角板状大冰雹直径•

0.5-1mm•-15C•1-5cm大雨直径温度°简单棱柱状巨型冰雹直径•1mm•-25C•5cm第四部分大气光学现象光散射与反射原理常见大气光学现象大气中的分子和颗粒物通过散射和反射彩虹、晕、幻日、华、蜃景等是大气中作用，导致各种奇妙的光学景象不同最为壮观的光学现象它们分别由光的尺寸的散射体对不同波长光的散射效率折射、反射、衍射等不同物理过程产生，各异，形成了蓝天、晚霞等常见现象以各具特色且形成条件各异及更为罕见的光学奇观观测与应用价值大气光学现象的观测不仅具有审美价值，更可用于推断大气中的水滴或冰晶特征古代气象学中，这些现象常作为天气变化的前兆指标，在现代仍有一定的天气预测参考价值大气光学现象是阳光与大气中的水滴、冰晶以及气溶胶等相互作用产生的各种奇特景观，它们不仅绚丽多彩，令人赏心悦目，也包含着丰富的大气物理信息通过研究这些光学现象，科学家可以推断大气中的粒子特性和分布情况本部分将详细介绍大气光学现象背后的物理原理，包括光散射理论、几何光学和波动光学在大气中的应用我们将系统讲解彩虹、晕、幻日等常见现象的形成机制，以及如何通过这些现象观测来辅助天气分析和预报这些知识不仅有助于理解自然之美，也为气象观测和预报提供了额外的信息来源光散射基本理论瑞利散射气体分子对光的散射，与波长的四次方成反比米氏散射气溶胶颗粒对光的散射，与波长关系较复杂几何光学效应3光在大尺度水滴或冰晶中的折射与反射瑞利散射是由英国物理学家约翰瑞利勋爵在世纪发现的光学现象，它解释了为什么天空呈现蓝色当太阳光穿过大气层时，气体分子（主要是氮气和·19氧气）更有效地散射短波长的蓝光，散射强度与波长的四次方成反比这意味着蓝光散射效率约为红光的倍，导致蓝光从各个方向散射到我们的眼睛16中，使天空呈现蓝色米氏散射发生在直径接近或大于光波长的气溶胶颗粒上，包括灰尘、花粉、烟雾等与瑞利散射不同，米氏散射对不同波长的依赖性较弱，但通常在前向散射更强当大气中气溶胶浓度增加，如雾霾天气时，散射的光波长差异减小，天空呈现出灰白色或黄色消光系数表示光强度的衰减程度，与能见度呈反比关系，是评估大气透明度的重要指标彩虹成因与特点晕与幻日现象°晕幻日幻日环与幻日柱22当高空卷云中的六角形冰晶随机定向分布时，幻日（太阳狗）是出现在太阳两侧约°处在理想条件下，通过冰晶的不同方位反射和折22阳光通过这些冰晶的棱柱面（°夹角）折的亮点，由水平定向的六角形冰晶平板的垂直射，可形成完整的幻日环（一个水平环绕天空60射，形成以太阳为中心、半径约°的彩色面反射阳光形成当大气中存在大量这种定向的亮带）和幻日柱（太阳上下方延伸的光柱）22光环晕的内侧呈红色，外侧呈蓝色，这是由冰晶时，幻日会特别明亮，有时甚至可与太阳这些现象在高纬度地区和寒冷季节更为常见于不同波长光的折射角度不同导致的本身的亮度相媲美晕和幻日现象在中国古代气象记录中有大量记载，被视为天气变化的重要预兆《齐民要术》等古代著作中记录了日晕三匝、日旁有耳等现象，这些分别对应现代气象学中的多重晕和幻日在民间气象谚语中，日晕三更雨，月晕午时风反映了晕现象与天气变化的关联其他光学现象除了彩虹和晕，大气中还存在多种罕见而壮观的光学现象青光或绿闪现象发生在日出或日落时，当太阳刚好位于地平线附近，阳光穿过大气层最厚的部分由于大气折射和散射作用，短暂的绿色闪光可能出现在太阳上缘，持续仅几秒钟这一现象需要清澈的大气和无云的地平线才能观察到光柱是由阳光或月光在水平定向的冰晶平板上反射形成的垂直明亮光带华现象则是由光在大小均匀的小水滴或冰晶中衍射形成的彩色环或光斑，通常出现在薄云中辉光圈是观察者看到自己的影子投射在雾或云上时，影子周围出现的一圈彩色光环；而云隙光则是阳光通过云层间隙照射形成的光束，仿佛从天而降的光柱，常被艺术作品描绘为上帝之光第五部分大气电学现象大气电场基本特性地球表面与电离层间的电位差与电流系统闪电与雷暴电学过程云内电荷分离与放电机制特殊电磁现象高空闪电与罕见放电形式大气电学现象研究是气象学与电磁学交叉的重要领域地球大气可视为一个巨大的电容器，其中地表通常带负电，而高层大气带正电，形成垂直电场这一基本电场结构受到全球雷暴活动、空间天气和地表特性的共同影响，表现出复杂的时空变化特征闪电作为最引人注目的大气电学现象，不仅具有惊人的视觉效果，还伴随着强大的电磁辐射和声学效应现代研究表明，闪电过程远比肉眼所见复杂，涉及多种尺度的放电形式和能量转换过程除常见的云地闪电外，近年来发现的高空闪电（如精灵、蓝喷流）和特殊放电形式（如球状闪电）也引起了科学界的广泛关注，它们为理解大气电磁过程提供了新的视角大气电场结构1001000晴空电场强度雷雨云下电场V/m V/m地表附近平均值，方向向下可达数千甚至数万伏米/300,000闪电前瞬时值V/m放电前临界击穿电场强度地球大气电场是一个全球尺度的电气系统，在晴朗天气条件下，地表附近的电场强度平均约为伏米，100/方向指向地面，表明地表带负电这种电场强度随高度增加而迅速减小，到达公里高度时降至约伏105/米全球大气电路概念认为，全球约有个同时活跃的雷暴区域充当发电机，维持整个大气与地表2000之间的电位差威尔逊室是早期研究大气电离现象的重要工具，由查尔斯威尔逊于年发明通过观察带电粒子在过·1911饱和空气中形成的凝结轨迹，威尔逊证实了宇宙射线的存在，并为大气电离研究提供了重要证据电离层（位于公里以上）的高导电性使其近似等电位体，与地表共同构成了全球电路的两个极板研究表80明，大气电场强度存在明显的日变化和季节变化，反映了全球雷暴活动的时空分布特征雷暴云电荷结构雷暴发展与电荷积累电荷分离机制随着雷暴的发展，对流上升气流和降水过程持续强化雷暴云三极结构云中电荷分离主要通过非感应带电机制实现，特别是电荷分离，云内电场强度逐渐增大当电场强度超过典型雷暴云呈现上正、中负、下正的三极电荷结构冰晶与霰粒间的碰撞分离当轻小的冰晶与较大的霰空气绝缘击穿阈值（约万伏米）时，闪电开始300/上部正电荷区位于公里高度，温度约°；粒碰撞时，在特定温度范围内，冰晶倾向于获得正电发生雷暴的整个生命周期通常包括发展期、成熟期8-12-40C中部负电荷区位于公里高度，温度约°；荷而被上升气流带到云顶，霰粒则获得负电荷并在重和消散期，电荷积累主要发生在发展和成熟阶段4-8-15C下部正电荷区较小，位于云底附近这种结构在不同力作用下下沉，形成电荷分层气候区和不同类型雷暴中可能有所变化中国雷暴高发区主要分布在长江中下游地区、华南沿海和西南地区，年雷暴日数可达天这种分布与夏季风环流、地形和热力条件密切相关研究表明，中80-100国雷暴云的电荷结构在不同地区存在差异，青藏高原地区的雷暴由于高海拔和特殊热力条件，其电荷结构与平原地区有明显不同闪电物理过程先导阶段闪电始于云内放电通道的形成，随后发展为阶跃先导向地面延伸先导以约米秒的速10⁵/度向下发展，呈现出分叉的树枝状结构先导通道内温度约为，电离气体形成低阻7000K等离子体回击阶段当先导接近地面时，地面物体（特别是尖端）产生向上的连接先导两者相遇后，形成完整通道，触发强大的回击电流回击以约米秒的速度（约光速）从地面向云内传播，10⁸/1/3产生明亮闪光多次回击过程大多数闪电包含多次击落，平均为次第一次回击后，如果云内仍有足够电荷，会形成3-5明箭先导沿原通道快速下行，触发新一轮回击整个多次回击过程通常持续秒

0.2-1闪电根据发生位置可分为云内闪电（约占）和云地闪电（约占）云内闪电发生在云内部或云75%25%与云之间，虽然肉眼看到的只是云层的整体发光，但实际上包含复杂的放电过程云地闪电则直接连接云层和地面，能量巨大且威力显著，是闪电灾害的主要来源闪电的极性分为正闪电和负闪电，取决于云中电荷区域的性质大多数云地闪电（约）是负闪电，即90%从云中负电荷区到地面的放电；而正闪电则相对少见，但通常能量更大、持续时间更长，破坏性更强一次典型闪电释放的能量约为亿焦耳，瞬间温度可达，是太阳表面温度的倍，这也解释了闪电530,000K5通道的强烈光辉和剧烈的雷鸣雷暴监测与防护闪电定位网原理雷电预警指标防雷设计与安全措施现代闪电定位网主要基于到达时间差法，利用雷电预警通常结合多种气象要素进行综合判断，建筑物防雷设计按照国家标准执GB50057分布在不同位置的多个传感器接收闪电产生的包括大气不稳定度指数（如、指数）、行，包括外部防雷（如避雷针、避雷带）和内CAPE K电磁信号通过计算信号到达各站的时间差，雷达回波强度和结构、卫星云图特征等预警部防雷（如等电位连接、浪涌保护器）两个方结合传感器精确的时间同步，可以准确定系统根据这些指标计算雷电概率，并发布不同面不同类型建筑的防雷等级要求不同，高层GPS位闪电发生的位置、时间和强度中国闪电监等级的预警信息现代预警可提前分建筑、重要设施和易燃易爆场所通常需要更高20-60测网覆盖全国大部分区域，监测精度可达数百钟预测雷暴活动等级的防护米人员雷电安全防护是雷电灾害防御的重要环节在雷暴天气中，应避免在开阔地带、高处和大树下停留；如处于野外，应选择低洼地形并采取蹲姿，降低被击中风险在室内时应关闭门窗，避免接触水管和电器设备汽车由于法拉第笼效应通常是相对安全的避雷场所特殊电磁现象近几十年来，科学家发现了多种发生在中高层大气的特殊放电现象红色精灵（）是发生在公里高空的大尺度放电现象，通常Sprites50-90呈现红色，与强烈的正极性云地闪电相关蓝射流（）则从雷暴云顶向上喷射，可达公里高度，呈现蓝色锥形结构这些高Blue Jets40-50空放电现象表明大气电学活动远不限于我们通常观察到的云层区域圣埃尔莫火是一种尖端放电现象，当带电云层下方的尖锐物体（如船桅、飞机翼尖）周围电场强度足够大时，会产生蓝色或绿色的发光放电球状闪电是极为罕见的持续性放电形式，呈现为直径厘米的发光球体，可持续数秒至数分钟，其物理机制至今仍有争议10-40ELVES（）是发生在电离层底部的环状Emission ofLight andVery LowFrequency Perturbationsdue toElectromagnetic PulseSources发光现象，与伽马射线暴关联，反映了闪电与高能粒子物理的复杂相互作用第六部分大气动力学现象大气运动基本方程大气运动遵循流体力学和热力学的基本原理，通过一系列偏微分方程描述这些方程包括动量方程、连续性方程、热力学方程和状态方程，共同构成了描述大气运动的完整数学框架地转风与梯度风在大尺度大气运动中，科里奥利力与压力梯度力的平衡导致地转风；当等压线呈曲线状时，需考虑离心力作用形成梯度风这些理想风场模型是理解实际大气环流的基础大气环流系统全球大气环流受太阳辐射分布、地球自转和下垫面特性的共同影响，形成了赤道、中纬度和极地区域的特征环流模式，以及各种尺度的天气系统大气动力学是研究大气运动规律的学科，它将流体力学原理应用于地球大气这一特殊流体系统大气作为一个旋转星球上的流体层，其运动受到科里奥利力、地形和热力因素的复杂影响理解这些影响下的大气运动规律，是气象预报和气候研究的理论基础本部分将从基本力平衡开始，系统介绍大气动力学的核心概念和理论，包括地转平衡、热成风理论、大气波动和能量传输等我们将特别关注各种尺度的大气环流系统，从全球环流到局地环流，分析它们的形成机制、结构特征和气候效应通过这些内容，学员将能够从动力学角度理解各种天气现象的本质，建立起系统的大气运动认知框架大气运动基本力压力梯度力科里奥利力单位质量空气受到的水平气压差异产生的力地球自转导致的偏转力，与风速和纬度有关重力与离心力摩擦力垂直方向上的重力和水平曲线运动中的离心力边界层内空气与地表或其他气层间的摩擦阻力压力梯度力是大气运动的根本驱动力，它从高压指向低压，大小与等压线密度成正比在水平方向上，压力梯度力可表示为∇，其中为空气密度，F=-1/ρpρ∇为气压梯度地球气压场的不均匀分布主要源于太阳辐射的不均匀加热和大气中的热力和动力过程p科里奥利力是地球自转产生的一种视在力，它使北半球大气运动向右偏转，南半球向左偏转科里奥利参数，其中为地球自转角速度，为纬度在f=2ΩsinφΩφ赤道处，向极地方向增大，在中高纬度地区对大气运动影响最为显著摩擦力主要存在于大气边界层内，它减弱风速并改变风向，使风向偏离等压线，向低压区f=0偏转理解这些基本力及其平衡关系，是分析不同尺度大气运动的理论基础地转平衡与梯度风地转风梯度风热成风地转风是理想化的风场模型，假设水平梯度风考虑了曲线运动中的离心力，适热成风是由水平温度梯度引起的垂直风气流仅受压力梯度力和科里奥利力作用，用于弯曲等压线的情况在气旋性环流速切变根据热成风关系，垂直方向上且两力平衡在这种情况下，风向平行（低压）中，离心力与科里奥利力方向地转风的变化与等压面上的水平温度梯于等压线，在北半球高压右侧、低压左相同，梯度风速小于地转风；在反气旋度成正比这解释了为什么高空西风急侧流动，形成气压系统的环流特征性环流（高压）中，离心力与科里奥利流通常位于强烈温度梯度区域的上方力方向相反，梯度风速大于地转风热成风关系•∂Vg/∂z=-地转风速度气旋式梯度风•Vg=•Vc=fr/2+g/fT·∂T/∂n1/f·1/ρ·∂p/∂n√[fr/2²+r/ρ·∂p/∂n]应用解释西风急流位置和强度•适用条件直线等压线，无摩擦，无反气旋式梯度风••Va=-fr/2+限制仅适用于地转平衡条件•加速度√[fr/2²+r/ρ·∂p/∂n]特点风速与等压线密度成正比，与为曲率半径，正值表示气旋式曲率，••r纬度成反比负值表示反气旋式曲率大气环流系统哈得莱环流（°）0-30赤道上升、副热带下沉的热力直接环流费雷尔环流（°）30-60中纬度的间接环流，受扰动影响显著极地环流（°）60-90高纬度区域的热力直接环流，强度较弱全球大气环流是大气响应太阳辐射不均匀分布的结果，它通过经向热量和动量输送，调节地球表面的温度差异哈得莱环流是最强的经向环流，由赤道地区的强烈加热驱动，在赤道附近形成上升气流（赤道辐合带）和多雨气候，在约°纬度形成下沉气流和副热带高压带，产生全球主要的荒漠区域30费雷尔环流是中纬度的间接环流，主要由波动扰动维持，气流在副热带高压带上升，在副极地低压带下沉极地环流范围相对较小，强度也较弱除经向环流外，纬向环流也是全球环流的重要组成部分，包括赤道东风、中纬度西风和极地东风带高空急流是西风带中特别强的窄带状气流，通常位于对流层顶附近，风速可超过，对全球天气系统传播有重要影响100m/s局地环流系统海陆风山谷风城市热岛环流海陆风是典型的热力环流，源于陆地和海洋热容量山谷风同样是热力环流，但受地形影响更为明显城市热岛效应是由人类活动和城市下垫面特性（如差异导致的温度和气压梯度白天，陆地加热快于白天，山坡受热形成上坡风（谷风），气流从山谷建筑材料、几何形状、人为热源等）导致的城市区海洋，形成陆地低压，海洋高压，产生海风向陆吹；底部向山顶流动；夜间则形成下坡风（山风），气域温度高于周围郊区的现象这种温度差异可形成夜间则相反，形成陆风向海吹海陆风的水平尺度流从山顶向山谷底部流动山谷风系统对山区的局从郊区到市中心的辐合气流，影响局地降水和污染通常为公里，垂直厚度为公里地天气、空气污染物扩散和生态环境有重要影响物分布大城市热岛强度可达°，在静风10-1001-25-10C晴朗夜间最为显著中国由于复杂的地理环境，存在多种典型的局地环流沿海地区的海陆风（如渤海湾、长三角、珠三角地区）在夏季尤为明显；山地区域（如秦岭淮河、太行-山、青藏高原边缘）的山谷风系统对区域天气有重要调节作用；而快速城市化地区（如京津冀、长三角、珠三角城市群）的热岛环流已成为影响局地气候和空气质量的重要因素第七部分天气系统锋面系统基本特性气旋与反气旋锋面是不同性质气团的交界区域，通常气旋是低压中心周围的气流环流系统，伴随温度、湿度和风向的显著变化锋通常伴随上升运动和不稳定天气；反气面系统是中纬度地区主要的天气系统，旋则围绕高压中心旋转，特征是下沉运直接影响降水、风向和温度变化动和晴朗天气两者构成了中纬度天气系统的基本组成热带气旋结构与演变热带气旋是强大的旋转风暴系统，源于热带海洋上的强对流其复杂的结构和演变过程涉及多尺度物理相互作用，是气象灾害中破坏力最强的系统之一天气系统是大气中各种尺度的运动系统，它们直接决定了我们日常感受到的天气变化准确理解和预测这些系统的行为是现代气象学的核心任务本部分将系统介绍各类天气系统的结构特征、形成机制和演变规律，帮助学员建立对气象预报核心对象的清晰认识我们将重点探讨锋面系统的类型和特性，温带气旋的发展过程和能量来源，高低压系统的环流特点，以及热带气旋的结构和生命史这些知识不仅是理论气象学的重要组成部分，也是业务预报的基础工具理解这些系统的动力学和热力学过程，将帮助学员提升天气分析和预报能力锋面系统结构冷锋特征暖锋特征其他锋面类型冷锋是冷气团主动推进，挤压暖气团上暖锋是暖气团主动爬升于冷气团之上形静止锋是冷暖气团势均力敌，锋面基本升形成的锋面冷锋的运动速度通常较成的锋面暖锋移动速度较慢（约不移动的情况，常见于夏季季风交界区20-快（约公里小时），垂直剖面公里小时），垂直剖面较为平缓，闭塞锋则是冷锋追上暖锋后形成的复合30-50/30/呈现较陡的斜面，平均倾角约为平均倾角约为暖锋通过时，气结构，标志着气旋进入成熟后期此外，1:1001:200冷锋通过时，气温显著下降，气压先降温逐渐上升，气压先降后稳，风向逆时还有副热带锋、干线、槽线等特殊类型后升，风向顺时针转变（北半球）针转变（北半球）的锋面或类锋面结构云系积雨云带，厚度大，水平范围云系层状云系为主，由高到低依次静止锋持续降水，易引发洪涝•••窄出现闭塞锋综合冷暖锋特点•降水强度大，持续时间短，多为阵降水强度中等，持续时间长，多为••生命周期锋面系统通常维持天•3-5性连续性能见度锋前差，锋后迅速好转能见度长时间较差，通过后逐渐好••转温带气旋发展气旋生成期起始于锋面波动形成，冷暖气团初步接触，形成微弱低压中心这一阶段锋面波动的振幅较小，环流系统尚不明显通常出现在高空辐散区下方和锋面活跃区域气旋发展期锋面波动迅速增大，冷暖锋结构明确形成，低压中心加深此阶段气旋环流增强，降水区域扩大，通常伴随高空槽的配合和低空辐合增强气旋成熟期低压最为深厚，冷锋追上暖锋形成闭塞锋此时气旋能量达到最大，降水强度最大，风力最强系统内部形成完整的暖心结构，垂直运动最为显著气旋消亡期低压逐渐填塞，闭塞过程完成，冷暖气团混合环流减弱，降水减少，系统逐渐解体或转变为残留低压通常在离开能量源区或进入大型高压控制区后发生气旋发展的能量主要来源于两个方面位能转化和潜热释放位能转化指的是冷暖气团水平温差代表的位能转化为气旋动能的过程；而云系发展过程中的水汽凝结释放大量潜热，进一步加强气旋的强度这两种能量来源在不同类型气旋中的贡献比例有所不同中国区域常见的气旋路径有蒙古气旋路径（西北路径）、江淮气旋路径（南支路径）、南海气旋路径等这些气旋活动具有明显的季节性特征，蒙古气旋多出现在冬春季，江淮气旋多见于春夏季，而南海气旋则多发生在夏秋季节气旋系统的活动直接影响着中国的天气过程，尤其是降水分布和强度反气旋与高低压系统热带气旋结构眼区眼墙热带气旋中心的无云区域，直径通常为公里环绕眼区的强对流云墙，是热带气旋中风速最大、降20-50眼区内风力较弱，气压最低，天气相对晴朗，有时可水最强的区域眼墙厚度通常为公里，内含10-20见蓝天眼区的形成源于强烈的离心力，导致中心区强烈上升气流，对流高度可达公里，直达平15-182域气流下沉流层底部外围环流外围螺旋雨带热带气旋的整体环流范围，远大于中心云系直径可从眼墙向外辐射的螺旋状对流云带，呈现明显的螺旋达公里，风速随距离中心远近而递减结构雨带间有相对较弱的降水区，但雨带本身可产500-1000低层为气旋性辐合，高层为反气旋性辐散，形成完整生强降水和阵风大型热带气旋可有多个同心螺旋雨的三维环流结构带中国对热带气旋的等级划分采用国家标准，根据近中心最大风速分为六个等级热带低压（）、热带风暴（）、强热带风暴

10.8-

17.1m/s

17.2-

24.4m/s（）、台风（）、强台风（）和超强台风（）

24.5-

32.6m/s

32.7-

41.4m/s

41.5-

50.9m/s≥

51.0m/s热带气旋的破坏性主要来自四个方面强风、暴雨、风暴潮和次生灾害强风可直接摧毁建筑物和农作物；暴雨引发洪涝和山体滑坡；风暴潮是由强风推动海水向岸边堆积形成的海面异常升高，常造成沿海严重淹没；次生灾害包括泥石流、滑坡、水库溃坝等中国是全球热带气旋影响最严重的国家之一，年均登陆台风约个，7-8主要影响华南、东南沿海和海南岛地区热带气旋发展条件海温条件热带气旋形成通常需要海温高于°的海域，且温暖水层厚度至少米高温海水提供热量和水汽，26C50是热带气旋能量的最主要来源研究表明，海温每升高°，热带气旋潜在强度约增加1C15-20%科氏力要求热带气旋形成需要足够的科氏力参数，因此通常距离赤道至少°纬度（约公里）在赤道附近，科5500氏力太弱，无法维持大尺度旋转系统的稳定发展，这解释了为何赤道海域很少有热带气旋形成垂直风切变条件弱垂直风切变（通常小于）有利于热带气旋发展强风切变会破坏热带气旋的垂直结构，导10m/s/km致暖心错位和系统减弱这是预报热带气旋强度变化的关键参数之一大气不稳定和湿度条件大气层结需具备足够的不稳定性，中层大气需有充足的相对湿度（通常）干燥空气的侵入会通过60%蒸发冷却和下沉运动削弱对流系统，不利于热带气旋维持和加强气候变化可能对热带气旋活动产生复杂影响一方面，全球变暖导致海温升高，提供更多能量；另一方面，大气环流模式的变化可能改变风切变条件和水汽分布当前研究表明，未来热带气旋数量可能不会显著增加，但强烈热带气旋的比例和降水强度可能增加中国区域的热带气旋活动也呈现出一定的变化趋势研究发现，近几十年来，西北太平洋台风生成位置有向北、向西偏移的趋势，登陆中国东南沿海的台风路径也有所变化这些变化与全球气候变暖和大尺度环流调整（如厄尔尼诺南方涛-动、太平洋年代际振荡等）密切相关，对未来台风防灾减灾策略制定具有重要启示第八部分大气污染气象学扩散条件与影响因素大气污染物的扩散过程受到风场、湍流强度、大气稳定度等多种气象因素的复杂影响理解这些因素如何影响污染物浓度分布，是大气环境评估的基础大气稳定度对污染的影响大气稳定度决定了垂直扩散能力，直接影响污染物的稀释和积累稳定大气抑制垂直混合，往往导致污染物在近地层积累；而不稳定条件则有利于污染物向上扩散3典型污染天气分析不同区域存在特征性的污染气象条件，如华北的冬季重污染、珠三角的光化学污染等通过分析这些典型案例，可以揭示气象条件与污染过程的相互作用机制大气污染气象学是研究气象条件如何影响大气污染物输送、扩散和转化的学科随着城市化和工业化进程的加速，大气污染已成为影响公众健康和生态环境的重要问题，而气象条件常常是决定污染程度的关键因素本部分将系统介绍大气扩散的基本原理，边界层结构与污染物分布的关系，以及不同类型逆温对污染积累的影响通过分析中国不同区域的典型污染气象案例，帮助学员理解气象条件与污染过程的相互作用机制，为大气环境评估和污染防控提供科学基础掌握这些知识对于准确预报空气质量、合理安排减排措施、制定有效的污染防控策略都具有重要意义大气扩散基本原理分子扩散与湍流扩散高斯烟羽模型不同源类型特点分子扩散是由分子热运动引起的物质随机迁移，效高斯烟羽模型是最常用的大气扩散模型，假设污染点源（如烟囱）污染物浓度随距离增加呈幂函数衰率极低；湍流扩散是由大气湍流运动导致的物质交物在垂直和水平方向上呈正态分布其基本参数包减；线源（如道路）污染物浓度随垂直距离增加呈换，效率远高于分子扩散实际大气中，污染物主括源强度、风速、扩散参数（和）等扩散指数衰减；面源（如城市群）污染更为复杂，通常σyσz要通过湍流扩散进行传输，其强度与大气稳定度、参数与大气稳定度和下风距离有关，通常通过帕斯需要考虑多源叠加效应不同类型源的污染物扩散风速和地表粗糙度等因素密切相关奎尔稳定度分类确定特征和控制策略也有显著差异大气扩散预测的核心是扩散方程，即污染物浓度分布的时空演变数学描述常用的理论将湍流扩散过程类比为分子扩散，但湍流扩散系数比分子扩散系数大数个量级在K实际应用中，扩散模型复杂度各异，从简单的高斯模型到复杂的数值模拟，适用于不同尺度的污染扩散研究风场是影响污染物扩散的最直接因素风速越大，稀释能力越强；而风向决定了污染物扩散的主要路径复杂地形（如山地、沿海地区）会显著改变局地风场，形成特殊的污染物输送通道例如，北京处于太行山和燕山之间的簸箕地形，西北气流被迫抬升，而南风沿着走廊形输送路径，这一特殊地形对区域污染物输送和积累有重要影响边界层与扩散条件日间混合层夜间稳定层太阳辐射加热地表，形成热对流和强湍流地表辐射冷却，形成接地逆温，湍流减弱城市边界层残余层受城市热岛和粗糙度影响的特殊结构前一天混合层的残留，湍流中等强度大气边界层是受地表直接影响的大气最低层，厚度约为公里，是大气污染物主要存在和扩散的区域边界层结构具有明显的日变化特征白天，太阳辐射加热地表形成1-2热对流，发展出厚度可达公里的混合层，湍流强，有利于污染物垂直扩散；夜间，地表辐射冷却形成稳定边界层，通常仅数百米厚，湍流弱，不利于污染物扩散，易形1-2成污染积累临界扩散气象条件是指容易导致污染物积累的特定气象条件组合，如风速小于米秒、边界层高度低于米、相对湿度大于等在这些条件下，污染物扩散能力显2/50080%著降低，易形成重污染天气城市边界层由于热岛效应和地表粗糙度变化，其结构和特性与郊区显著不同城市热岛会减弱夜间接地逆温强度，但城市峡谷效应可能导致某些区域污染物难以扩散准确监测和预测边界层结构变化，是进行空气质量预报和污染控制的重要基础逆温层与污染累积辐射逆温下沉逆温平流逆温辐射逆温是最常见的逆温类型，形成于晴朗、无云、下沉逆温由高压系统下沉气流绝热增温形成，通常平流逆温由暖气团越过相对冷的下垫面（如冷海面、风速小的夜间，由地表长波辐射冷却引起地表冷位于数百米至数千米高度这种逆温层厚度大、强雪面）形成这种情况下，低层空气被下垫面冷却，却使近地面空气温度低于上层空气，形成随高度升度强、持续时间长，形成盖子效应，阻止污染物而上层空气保持较高温度，形成逆温层平流逆温高温度增加的逆温结构这种逆温通常在日出后随向上扩散下沉逆温多见于副热带高压控制区域，多见于沿海地区和寒潮过后的情况，可能导致浓雾地表加热而消散，但在冬季可能持续更长时间如冬季华北地区常受西伯利亚高压影响形成强下沉和污染积累逆温中国不同地区的逆温特征存在明显的地理差异和季节变化华北平原冬季辐射逆温和下沉逆温频繁，逆温强度大、持续时间长，是冬季重污染天气的重要气象背景；长三角地区四季均可出现逆温，但以春秋季节的辐射逆温和夏季的海陆风锋面逆温为主；珠三角区域夏季受副热带高压控制，常出现强下沉逆温，影响臭氧等二次污染物的垂直分布污染气象条件分析京津冀冬季重污染机制珠三角臭氧污染与气象条件西北沙尘暴天气系统京津冀地区冬季重污染具有典型的均匀珠三角地区臭氧污染主要发生在春末夏西北地区沙尘暴是一种特殊的自然源污污染局地加重区域传输清除过程演初和秋季，与特定气象条件密切相关染过程，主要发生在春季其形成需要---变特征形成机制包括不利的地形条强日照（促进光化学反应）、高温（加三个关键气象条件强烈冷空气活动件（三面环山）、冬季频繁的逆温和低速反应速率）、低湿度（减少臭氧清（提供动力）、地表干燥少植被（提供边界层高度、稳定的天气系统控制下弱除）、弱风（减少扩散）、下沉逆温沙尘源）、强对流不稳定（使沙尘上扬风环境，以及冬季增加的采暖排放研（限制垂直混合）副热带高压控制下并长距离输送）典型的沙尘暴天气系究表明，在重污染过程中，边界层高度的连续晴好天气是形成臭氧污染的典型统特征是冷锋过境、大风、气温骤降，通常降至米以下，风速小于米秒，气象背景，海陆风环流可能导致污染物伴随能见度显著降低5002/相对湿度大于在区域内循环积累80%大气污染气象条件预报技术是空气质量预报的关键环节现代污染气象预报综合运用数值天气预报、化学传输模型和统计方法，预测-污染物浓度的时空分布关键预报要素包括边界层高度、温度层结、风场、降水、相对湿度等近年来，机器学习技术在污染气象预报中的应用取得显著进展，尤其在捕捉非线性关系和处理多源数据方面表现出色第九部分大气物理观测技术常规气象观测方法雷达与卫星遥感技术常规气象观测是获取大气状态基本参遥感技术实现了对大气的远距离、大数的传统方法，包括地面观测和高空范围、高时空分辨率观测，弥补了常探测这些方法历经百年发展，已形规观测在空间覆盖上的不足雷达和成标准化的观测体系，是气象监测的卫星已成为现代气象观测系统的核心基础网络组成部分新型观测手段随着科技进步，各种新型观测手段不断涌现，如激光雷达、闪电定位、无人机和物联网等，为大气物理研究提供了新视角和新工具准确的大气观测是理解大气物理过程和进行天气预报的基础随着科技发展，大气观测技术从早期的简单仪器发展为今天的综合立体观测系统，能够对从地表到高空的各层大气进行全方位监测本部分将系统介绍现代大气物理观测技术的原理、特点和应用我们将重点讨论常规气象探测技术的原理和现代发展，各类遥感技术（如多普勒雷达、激光雷达、微波辐射计等）在大气观测中的应用，气象卫星系统的类型和功能，以及新兴的观测技术和方法了解这些观测技术的原理和特点，对于正确获取、处理和解释大气观测数据至关重要，也是气象研究和业务工作的基础技能常规大气探测技术探空观测系统探空系统是获取高空大气廓线的主要方法，使用氢气或氦气填充的气球携带观测仪器上升，实时传回各层大气的温度、湿度、气压和风速风向数据现代探空系统通常采用技术确定位置和风场，观测高度GPS可达公里以上世界气象组织规定标准探空时间为每天和，中国气象部门在全国设有3000UTC12UTC余个探空站，构成基础高空气象观测网120微波辐射计微波辐射计是一种被动遥感器，通过接收大气中水汽和氧气分子在特定微波频段的辐射来反演大气温湿廓线与探空系统相比，微波辐射计具有高时间分辨率（可实现连续观测）、全天候工作能力和无需消耗品等优点，但垂直分辨率较低，且在降水条件下反演精度降低现代微波辐射计通常工作在频段，可提供公里高度范围内的温湿廓线数据20-60GHz1-10激光雷达与风廓线雷达激光雷达利用激光脉冲在大气中的散射原理，可探测气溶胶、薄云、水汽和温度等参数不同波长的激光雷达适用于不同目标主要用于气溶胶探测，用于臭氧探测，而1064nm355nm则适用于水汽探测风廓线雷达是利用电磁波散射原理测量风场三维结构的系统，主要有941nm清空风廓线雷达（）和边界层风廓线雷达两类，可提供从地面到数公里或数十公里高度UHF/VHF的风场廓线这些常规探测技术各具特点，在实际应用中通常结合使用，互为补充例如，探空系统提供高精度但低频次的廓线数据，而微波辐射计和风廓线雷达则提供连续但精度较低的监测，两者结合可实现对大气垂直结构的全面监测中国气象部门正在建设综合气象观测系统，将各类探测手段有机整合，提高对大气三维结构的监测能力，为气象预报和气候研究提供更全面的数据支持气象雷达观测原理多普勒效应测风双偏振技术通过目标回波频率偏移测量径向速度利用水平和垂直偏振差异识别降水类型雷达联网相控阵技术多站协同提供区域覆盖和三维拼图电子扫描实现高时空分辨率观测气象雷达是现代气象观测系统的核心设备，通过发射电磁波脉冲并接收目标散射回波来探测大气中的降水和风场多普勒雷达利用多普勒效应测量降水粒子的径向速度，通过分析速度场可识别中尺度天气系统如中气旋、下击暴流等径向速度测量精度通常为米秒，有效探测范围可达公里1-2/150-460双偏振雷达同时发射和接收水平与垂直偏振电磁波，通过分析两种偏振回波的差异，可推断降水粒子的形状、尺寸、相态和浓度，从而更准确地识别降水类型（如雨、雪、冰雹等）和估计降水强度相控阵雷达是新一代天气雷达技术，通过电子方式控制波束扫描，实现快速体扫描和自适应观测，大幅提高时空分辨率中国新一代天气雷达网络（）由波段和波段多普勒雷达组成，覆盖全国主要区域，为气象预报和灾害预警提供关键支持CINRAD SC气象卫星遥感系统地球同步轨道卫星极轨卫星卫星资料应用地球同步轨道卫星（如风云四号系列）位于赤道上空约极轨卫星（如风云三号系列）运行在距地面约公里卫星观测资料的定量应用是现代气象领域的重要发展方800公里高度，轨道周期与地球自转周期相同，因的近极地轨道上，每天可对地球进行多次全球覆盖这向云分类产品利用多通道光谱特征识别不同类型云系；36000此相对地面位置固定这类卫星可以持续观测同一区域，类卫星具有更高的空间分辨率和更多的观测通道，但对降水估计结合红外亮温和微波通道数据，实现全天候降提供高时间分辨率（分钟一次）的监测，适合同一区域的观测频率较低（通常为每天次）风云水监测；海温、土壤湿度、植被指数等参数则为气候监15-302-4捕捉天气系统的动态演变风云四号卫星搭载的多通道三号卫星搭载的仪器包括可见光红外扫描辐射计、微测和数值模式提供重要输入卫星资料同化已成为提高/扫描成像仪具有可见光、红外和水汽等个波段，空波辐射计、大气垂直探测仪等，可提供从地表到高层大数值预报精度的关键技术，特别是在常规观测稀少的海14间分辨率最高可达米气的多种参数洋和偏远地区500中国风云卫星工程始于年代，经过近半个世纪的发展，已建成包括地球同步轨道和极轨卫星在内的综合观测系统风云一号实现了中国气象卫星零的突破；风云1970二号系列是中国第一代业务型地球同步轨道气象卫星；风云三号系列是极轨气象卫星；而风云四号系列则代表了中国新一代地球同步轨道气象卫星的最高水平新型观测技术发展闪电成像仪是一种新型的闪电监测设备，可捕捉闪电放电过程的光学和电磁信号，实现闪电活动的三维监测与传统闪电定位网相比，闪电成像仪能提供更高的时空分辨率和更完整的闪电结构信息，包括云内闪电和云地闪电的三维发展过程中国最新研发的地基全闪电三维成像系统和风云四号卫星搭载的闪电成像仪，共同构成了覆盖全国的立体闪电监测网络微波链路被动雨量监测是一种新兴的城市降水观测方法，利用手机通信基站之间的微波信号在降水过程中的衰减特性来反演降水强度这一技术利用了现有通信网络设施，无需额外建设观测站，能够在城市密集区提供高密度、高分辨率的降水信息无人机气象观测系统通过在不同高度和区域进行灵活机动的观测，填补了常规观测网络的空白，特别适合于复杂地形、灾害天气和特殊事件的监测物联网技术的应用则使得大量低成本、小型化气象传感器的广泛部署成为可能，极大提高了观测网络的密度和覆盖范围总结与展望大气物理现象研究现状气象预报技术发展趋势当前大气物理研究已从宏观定性描述发展到微观定气象预报技术正朝着高分辨率、全球区域一体化-量分析，多学科交叉融合成为主流趋势云微物理和无缝隙预报方向发展人工智能技术与传统数值过程、大气辐射传输、大气电学现象和边界层湍流模式的深度融合，精细化的物理过程参数化方案，等研究领域取得显著进展，但仍存在诸多未解之谜，以及先进的数据同化技术正逐步提高预报准确率和如闪电起始机制、混合相云降水形成、气溶胶云前瞻期未来预报将从天气预报向影响预报转--降水相互作用等复杂过程仍需深入研究变，更加注重天气对社会经济各领域的实际影响气候变化与大气物理过程气候变化背景下，大气物理过程正经历复杂变化研究表明，全球变暖可能导致极端天气事件频率和强度增加，水循环过程加速，大气环流模式调整等这些变化给大气物理研究带来新挑战，需要发展更精细的观测和建模技术，以更好地理解和预测未来气候系统的演变学科交叉研究正成为大气科学发展的重要动力大气物理学与计算科学、材料学、生物学、信息科学等领域的深度融合，催生了诸多创新研究方向例如，大数据与人工智能技术在气象领域的应用正迅速发展，从观测数据处理、模式预报到天气影响评估，都发挥着越来越重要的作用生态气象学研究气象条件与生态系统的相互作用，为应对环境变化提供科学支持未来大气物理研究的应用前景十分广阔在能源领域，精细化的风能和太阳能资源评估和预报将支持可再生能源的大规模利用；在农业领域，作物生长模型与气象预报的结合将提升农业生产效率和抗灾能力；在公共健康领域，大气环境与人体健康的关系研究将为疾病预防和健康保障提供依据；在城市规划和管理中，大气物理知识的应用将助力韧性城市和低碳城市建设大气物理学作为理解地球系统的基础学科，其研究成果将在更广泛的领域发挥重要作用。