《备考大气科学：大气环境复习教程》课件

备考大气科学大气环境复习教程本课程是专门为大气科学专业学生设计的综合复习教程，旨在帮助学生系统掌握大气环境相关知识，提高考试应试能力课程涵盖大气科学基础理论、大气物理与动力学、环境监测分析、污染防治以及天气预报等核心内容，结合南京信息工程大学优质教学资源，为学生提供全面深入的学习指导课程简介专业性强考点全面面向大气科学专业学生的专门涵盖大气环境基础知识和历年复习指南，紧扣专业核心知识考试高频考点，帮助学生全面体系，确保复习内容的针对性掌握考试重点难点内容和实用性权威资料结合南京信息工程大学大气科学优质教学资料，适用于气象学、环境科学等相关专业学生使用学习目标理论掌握深入理解大气科学关键理论和基本概念，建立完整的知识体系框架，为专业发展奠定坚实基础过程理解全面掌握大气环境中复杂的物理和化学过程机制，培养科学分析和解决实际问题的能力技能应用熟练运用大气环境监测与分析方法，掌握现代气象观测技术和数据处理技能考试准备显著提高考试应试技巧和答题能力，掌握有效的复习方法和答题策略，确保考试成功课程大纲大气科学基础包括大气成分结构、热力学基础、辐射过程、边界层特性和观测基础等核心内容大气物理与动力学涵盖云物理学、动力学方程、天气系统、大尺度环流和中小尺度系统分析大气环境监测与分析介绍监测网络、雷达原理、卫星遥感、数据分析和专业软件应用技术大气污染与防治分析主要污染物、气象条件、扩散模式、区域特征和防治技术方法天气学与气象预报讲解天气学概念、系统分析、数值预报、短中期预报和气候预测方法第一部分大气科学基础大气结构大气成分分析大气垂直分层特征和各层物理特性研究大气的化学组成和各种成分的作用机制热力学基础掌握大气热力学基本方程和过程分析边界层辐射过程分析大气边界层结构和湍流特性理解太阳辐射和地球辐射的传输机制大气成分主要成分微量气体悬浮颗粒干洁空气主要由氮气（78%）和氧气尽管含量很少，但二氧化碳、甲烷、臭大气中的悬浮颗粒物包括自然和人为来（21%）组成，这两种气体构成了大气的氧等微量气体对大气环境和气候变化具源的各种粒子，对空气质量、能见度和主体部分氮气相对稳定，对大气化学有重要影响它们参与温室效应，影响人体健康产生重要影响颗粒物的粒径过程影响较小，而氧气则参与各种氧化大气辐射平衡，是环境监测的重要指分布和化学成分决定其环境效应还原反应标•PM10可吸入颗粒物•氮气化学性质稳定•CO₂重要温室气体•PM

2.5细颗粒物•氧气参与生物化学过程•CH₄强温室效应•超细颗粒健康危害大•氩气惰性气体成分•O₃紫外线屏障大气垂直结构对流层0-12km高度范围，温度递减率约

6.5°C/km，包含大部分天气现象平流层12-50km高度范围，因臭氧吸收紫外线导致温度随高度增加中间层50-80km高度范围，温度再次递减，流星燃烧层热层80km以上，太阳辐射电离作用导致温度显著升高大气热力学基础状态方程位温概念理想气体状态方程p=ρRT是大气位温是空气块绝热移动到标准气热力学的基础方程，描述了大气压时的温度，是判断大气稳定性压力、密度和温度之间的关系的重要参数位温保守性使其成该方程在大气科学计算中应用广为追踪气团特性和分析大气运动泛，是分析大气状态变化的重要的有效指标工具稳定度分析大气稳定度决定垂直运动的发展程度，分为稳定、不稳定和中性三种状态稳定度影响污染物扩散、对流发展和天气过程演变，是重要的环境评估因子大气辐射过程太阳辐射地球辐射太阳辐射是地球大气系统的主要能量来地球向外发射长波辐射，与太阳短波辐源，具有短波特性，主要集中在可见光射形成辐射平衡，维持地球气候系统稳波段定辐射平衡温室效应入射太阳辐射与出射地球辐射达到平大气中温室气体吸收地面长波辐射，再衡，决定地球平均温度和气候特征向下辐射，形成自然温室效应现象大气边界层湍流混合层强湍流混合区域，影响污染物扩散过渡层湍流强度逐渐减弱的过渡区域地表层受地表直接影响的大气底层大气边界层是大气与地表相互作用最强烈的区域，其结构和特性直接影响污染物传输、能量交换和天气过程边界层高度的日变化规律对环境预报和污染评估具有重要意义理解边界层湍流特性有助于改进大气扩散模型和提高环境预报精度第二部分大气物理与动力学云物理学研究云滴和冰晶的形成、增长和降水过程，包括微物理过程和宏观特征分析，是理解天气现象的基础动力学方程建立描述大气运动的数学方程组，包括动量、热量和水汽传输方程，是数值预报的理论基础天气系统分析各种尺度天气系统的形成机制和演变规律，从全球环流到局地对流系统的动力学特征云物理学基础云滴核化水汽在凝结核作用下形成云滴的过程凝结核的化学成分和吸湿性直接影响云滴形成效率不同类型的凝结核导致云滴谱分布差异，进而影响云的微物理特性和降水效率冰晶生长在过冷水环境中，冰晶通过Bergeron-Findeisen过程快速增长冰晶形态受温度和湿度条件控制，不同形态的冰晶具有不同的下降速度和聚并特性，影响降水类型和强度降水形成通过碰并和聚并过程，云滴和冰晶增长到足够大小形成降水暖云和冷云降水机制不同，人工影响天气技术基于对这些过程的深入理解大气动力学方程3运动方程组包括水平和垂直运动方程以及连续性方程2主要力气压梯度力和科里奥利力是主导因子

6.5标准递减率对流层温度递减率（°C/km）⁻10⁵科里奥利参数中纬度地区的典型数值（s⁻¹）大气动力学方程组描述了大气中各种力的平衡关系和运动规律地转风和梯度风是重要的风场近似，在天气分析中应用广泛涡度和辐散反映了大气运动的旋转和辐合辐散特征，是判断天气系统发展的重要指标天气系统动力学锋面生成不同性质气团相遇形成锋面气旋发展涡度增强和辐散耦合促进发展波动传播能量向下游传播影响下游天气能量转换有效位能转换为动能维持系统大尺度环流全球大气环流系统包括贸易风、西风带和极地东风等基本环流季风系统是大尺度环流的重要组成部分，对区域气候产生决定性影响厄尔尼诺和拉尼娜现象体现了海洋-大气相互作用的复杂性，对全球天气气候产生深远影响中小尺度天气系统系统类型时间尺度空间尺度主要特征雷暴1-3小时10-100km强对流，局地性强中尺度对流系6-12小时100-1000km组织化对流，统带状结构龙卷风10-60分钟1-10km极强旋转，破坏力大热带气旋3-15天500-2000km眼墙结构，螺旋云带第三部分大气环境监测与分析监测网络建设构建覆盖全面的地面、高空和海洋气象观测网络，确保数据的时空连续性和代表性，为天气预报和气候研究提供可靠的观测基础雷达遥感技术利用多普勒雷达和双偏振雷达技术，实现对降水、风场和云微物理特性的高分辨率观测，提高强对流天气监测预警能力卫星遥感应用综合利用可见光、红外和微波遥感技术，反演大气温湿度廓线、云参数和地表特征，为全球大气监测提供重要数据源数据分析处理运用先进的数据分析方法和专业软件，实现气象数据的质量控制、客观分析和可视化处理，提高数据利用效率大气监测网络地面观测网高空探测系统专业观测网地面气象站网是大气监测的基础设施，高空气象探测通过探空气球释放无线电针对特定需求建立的专业观测网络，包按照WMO标准进行站网布局观测要素探空仪，获取大气垂直结构信息探测括大气成分观测、辐射观测、土壤温湿包括气温、气压、湿度、风向风速、降高度可达30公里以上，提供温度、湿度观测等这些观测网为气候变化研水量等常规要素现代化地面站还配备度、气压和风的垂直廓线数据，是数值究、环境评估和农业气象服务提供专门了能见度仪、云高仪等先进设备预报模式重要的初始场资料化数据支持•国家基准站高精度标准观测•常规探空每日定时观测•大气成分网温室气体监测•区域站区域代表性观测•加密探空重要天气过程•辐射观测网能量平衡研究•自动站高密度实时监测•风廓线雷达连续风场观测•闪电定位网雷电活动监测气象雷达原理与应用基本原理多普勒效应雷达发射电磁波遇到降水粒子后发生散利用多普勒频移测量径向速度，反演风射，接收回波信号分析降水强度和运动场结构和大气运动特征特征定量应用双偏振技术3雷达回波强度定量估测降水，结合算法同时发射水平和垂直偏振波，识别降水改进提高精度粒子类型和微物理特性卫星遥感技术卫星平台极轨和静止轨道卫星各有优势传感器技术2可见光、红外、微波多谱段观测反演算法3从辐射信号反演大气参数遥感产品温湿度廓线、云参数等标准产品业务应用天气预报、气候监测、灾害预警卫星遥感技术为全球大气监测提供了重要手段不同轨道卫星具有互补优势，极轨卫星覆盖全球但时间分辨率低，静止卫星时间分辨率高但覆盖区域有限现代卫星搭载多种传感器，实现多谱段、多参数同步观测气象数据分析方法客观分析将离散观测数据插值到规则格点上，常用方法包括最优插值、变分分析和集合卡尔曼滤波等先进技术统计分析运用回归分析、主成分分析、聚类分析等统计方法，挖掘气象数据中的规律和相关关系诊断分析计算涡度、辐散、垂直速度等诊断量，分析大气运动特征和天气系统发展机制预报检验通过各种评分指标评估预报效果，包括准确率、偏差、相关系数等定量化检验方法等专业软件应用GrADSGrADS基础操作数据可视化技术GrADS是气象领域广泛使用的数专业的气象数据可视化需要合理据分析和可视化软件，支持多种选择调色板、等值线间隔和图形数据格式读取和处理掌握基本样式不同类型的气象要素需要命令语法、脚本编写和数据操作采用相应的可视化方法，如温度是使用GrADS的基础技能软件场用等值线、风场用矢量、降水提供丰富的绘图功能和数学运算用填色等能力软件综合应用除GrADS外，NCL、Python、R等软件在气象数据处理中也有重要应用掌握多种软件的特点和适用场景，能够根据具体需求选择最适合的分析工具，提高工作效率第四部分大气污染与防治污染源识别分析主要大气污染物的来源、特性和环境影响，建立污染源清单和排放因子数据库扩散过程研究污染物在大气中的传输、扩散和转化过程，建立数学模型预测污染物浓度分布监测评估建立完善的大气环境监测网络，实时监测空气质量变化，评估污染控制效果防治技术开发和应用先进的污染防治技术，制定科学的减排策略和管控措施主要大气污染物颗粒物气态污染物有机污染物PM10和PM

2.5是重要的大气二氧化硫、氮氧化物和臭氧是挥发性有机化合物（VOCs）污染指标，来源包括燃煤、机主要的气态污染物SO₂主要是臭氧和二次有机气溶胶的重动车尾气、工业排放和扬尘来自燃煤，NOx来自交通和工要前体物来源复杂，包括工细颗粒物能够深入肺泡，对人业，地面臭氧则是光化学反应业溶剂、汽油挥发、生物排放体健康危害严重，是空气质量的二次产物，具有强氧化性等，对大气光化学反应有重要评价的核心指标影响温室气体二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体虽然浓度相对较低，但对全球气候变化有决定性影响需要通过源解析技术识别排放源并制定减排措施大气污染气象条件逆温层影响边界层高度逆温层阻止垂直空气运动，导致污染物边界层高度决定污染物垂直扩散空间，在低层大气中积累，是形成重污染的重低边界层高度有利于污染物浓度增加要气象条件降水清除风场条件降水通过冲刷和溶解作用清除大气中的风速影响污染物稀释扩散，风向决定污污染物，是自然净化机制染物传输路径和影响区域大气扩散与传输模式高斯烟羽模型基于统计理论的经典扩散模型，适用于稳定气象条件拉格朗日模型跟踪单个粒子轨迹，适合复杂地形和变化气象条件欧拉网格模式基于网格计算的三维模式，可模拟复杂化学反应区域全球模式大尺度传输模式，研究跨境污染和全球传输区域大气污染特征大气污染防治技术源头控制末端治理管理措施从污染源头减少排放是最有效的防治手针对已产生的污染物采用工程技术手段通过法规标准、经济政策、监管执法等段包括优化能源结构、推广清洁生产进行处理包括除尘、脱硫、脱硝、管理手段控制污染排放建立完善的环工艺、提高燃料质量等措施发展可再VOCs治理等技术现代末端治理技术效境管理体系，实施排污许可制度，强化生能源，减少化石燃料使用，是实现源率不断提高，成本逐步降低，是污染控环境监察执法，形成有效的污染防治长头减排的根本途径制的重要补充效机制•清洁能源替代•高效除尘技术•排放标准制定•工艺技术改进•烟气脱硫脱硝•经济激励政策•燃料品质提升•VOCs回收处理•监管执法体系第五部分天气学与气象预报天气学理论基础建立完整的天气学概念体系，掌握天气图分析方法和天气系统识别技术理解气团、锋面、气旋等基本概念，为天气分析预报奠定理论基础数值预报技术学习数值天气预报的基本原理和模式应用技术了解全球模式和区域模式的特点，掌握数值预报产品的解释和应用方法，提高客观预报能力预报业务实践结合业务实际，掌握短期、中期和延伸期天气预报的方法和技巧学习预报流程管理、产品制作和服务提供，培养综合预报业务能力天气学基本概念天气图分析气团分类天气图是天气分析的基础工具，包括地面图、高空图和辅助图根据温度和湿度特性将大气分为不同气团类型冷气团和暖气表通过等压线、等温线、风场等要素分析，识别天气系统位团、干气团和湿气团的性质差异决定了天气现象的发生和发展置、强度和移动趋势特征锋面系统气压系统不同性质气团的交界面形成锋面，是重要的天气制造者冷高压和低压系统是基本的天气系统类型高压系统通常对应晴锋、暖锋、锢囚锋具有不同的结构特征和天气现象，影响降水好天气，低压系统则易产生云雨天气，系统的发展和移动决定类型和强度天气变化趋势天气系统识别与分析卫星云图判读利用可见光和红外卫星云图识别云系类型、发展阶段和运动趋势掌握不同云系的光谱特征，结合温度信息判断云顶高度和厚度，为天气分析提供重要依据雷达回波分析通过雷达反射率因子识别降水强度和类型，利用径向速度产品分析风场结构掌握超级单体、飑线、中气旋等危险天气的雷达特征，提高强对流预警能力多层次综合分析结合地面、高空观测资料进行立体分析，诊断大气层结稳定度、风切变、水汽条件等关键参数综合分析有助于准确判断天气系统发展潜力和影响范围演变趋势预判基于天气系统当前状态和环境条件，运用天气学原理预判系统未来发展趋势考虑地形影响、季节特征等因素，提高预报准确性和时效性数值预报基础全球模式覆盖全球的粗分辨率模式，提供边界条件区域模式2高分辨率区域模式，细化局地预报数据同化融合观测数据优化初始场数值方程离散化大气运动方程组物理过程参数化亚网格尺度物理过程数值预报通过求解大气运动方程组预测未来天气状态模式初始化是关键环节，需要通过数据同化技术将各种观测资料融合到模式中物理过程参数化处理无法显式计算的亚网格尺度过程，直接影响预报质量短期与中期天气预报临近预报0-6小时预报，主要基于外推和统计方法，重点关注强对流天气监测预警，时效性要求极高短期预报1-3天预报，结合数值模式和天气学分析，预报技巧较高，是业务预报的核心时段中期预报4-10天预报，主要依靠数值模式，预报不确定性增加，需要概率表达和集合预报技术延伸期预报10-30天预报，预报技巧有限，重点关注趋势性预报和异常天气过程预测气候预测方法统计预测动力预测统计-动力结合基于历史资料建立统运用海洋-大气耦合模将动力模式输出与统计关系，通过相似年式进行气候数值预计方法相结合，利用份、相关分析等方法测，能够考虑复杂的统计关系订正模式系进行气候预测方法物理过程和相互作用统误差，提高预测准简单但依赖历史资料机制是现代气候预确率是目前业务气的代表性和气候系统测的主要手段，但计候预测的主流方法的平稳性假设算成本高集合预测通过多个稍有差别的预测实验，给出概率性预测结果能够量化预测不确定性，为决策提供风险评估信息考试重点难点计算题分析题大气动力学和热力学计算是考试重点，天气系统分析和大气环境案例分析考查需要熟练掌握公式应用综合应用能力应用题理论题4结合实际问题的综合应用题考查解决实基础理论概念和物理过程机制是考试的际问题的能力基础内容大气动力学计算题基本力的计算地转风与梯度风气压梯度力计算需要掌握水平气地转风是气压梯度力和科里奥利压梯度的求解方法，注意单位换力平衡的结果，需要熟练掌握地算和坐标系统科里奥利力计算转风公式的推导和应用梯度风要理解地球自转的影响，掌握不还要考虑曲率效应，在高低压系同纬度的参数取值摩擦力在边统中表现不同要注意风向与等界层中的作用机制是考试常见内压线的关系容涡度和辐散计算相对涡度、绝对涡度和位涡的概念及计算方法是重点内容涡度守恒定理在天气分析中有重要应用辐散计算涉及风场的水平分布特征，与垂直运动密切相关大气辐射传输问题1367太阳常数地球轨道处的太阳辐射通量密度（W/m²）5778太阳温度太阳黑体等效温度（K）255地球温度地球黑体等效温度（K）33温室效应自然温室效应导致的温度升高（K）大气辐射传输计算涉及太阳辐射和地球辐射的平衡关系需要掌握黑体辐射定律、辐射传输方程的基本形式温室效应计算要理解大气对长波辐射的吸收和发射过程，掌握简化的辐射平衡模型天气系统分析题系统识别准确识别天气图上的高低压系统、锋面位置和强度结构分析分析系统的三维结构特征和发展阶段移动预测根据引导气流和发展趋势预测系统移动路径天气预报结合系统特征预报相应的天气现象大气环境案例分析污染源分析识别主要污染物来源和排放特征气象条件评估分析不利扩散的气象要素组合传输路径判断确定污染物的输送方向和影响范围应急响应措施制定相应的污染控制和应急措施复习方法指导1构建知识体系突出复习重点通过知识框架和概念图建立完整的知识体系，理清各部分内容根据考试大纲和历年真题，识别高频考点和重难点内容，合理之间的逻辑关系，形成系统性认识，避免孤立记忆零散知识分配复习时间和精力，确保重点内容的深入理解和熟练掌握点强化解题训练循环复习巩固通过大量练习掌握各类题型的解题思路和方法，总结解题规采用阶段性复习和循环强化的方法，定期回顾已学内容，及时律，提高解题速度和准确性，培养良好的答题习惯和技巧查漏补缺，确保知识的长期记忆和灵活运用能力。