中高层大气物理和化学  082500M01011H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科核心课 | 任课教师:徐寄遥,朱亚军,高红,姜国英
授课时间: 星期二,第1、2、3 节
授课地点: 教一楼413
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 082500M01011H 课时: 52 学分: 3.00
课程属性: 一级学科核心课 主讲教师:徐寄遥,朱亚军,高红,姜国英 助教:李钦增
英文名称: The Middle and Upper Atmospheric Aeronomy 召集人:

教学目的、要求

为空间物理、空间探测、大气物理和大气遥感及其它相关专业的研究生系统了解中高层大气中主要的物理和化学过程、相关大气参数的主要光电探测方法和探测原理提供理论基础。此外,通过研究实例的讲述,让研究生对该领域最新研究成果和学科前沿动态有较清晰的认识,把分散的理论知识点串起来,做到融会贯通,目标是研究生对理论基础知识实际应用于具体科学研究工作的过程有初步的了解。
地球中高层大气是低层大气和空间其他区域之间的过渡区域,是日-地耦合系统的重要环节,该区域包含着丰富的动力学、光化学和辐射过程。本课程主要讲述地球中高层大气动力学、光化学和辐射等基础理论知识,以及中高层大气的主要探测方法和探测原理。此外,通过对相关研究实例进行分析讲解,阐述该领域的研究热点和前沿课题。该课程的特色是授课教师在讲授基础理论知识的同时,结合国际上中高层大气的研究热点和自身的科研经验介绍该领域的最新研究进展,为研究生更好的利用所学理论基础知识与未来所进行的科学研究搭起桥梁,目的是帮助学生把各个分散的知识点做到融会贯通,有助于学生回所后顺利开展科研工作。

预修课程

高等数学、普通物理、普通化学

教 材

自编教材

主要内容

本课程的授课内容由五部分组成:
课程简介 中高层大气概论(计划2学时):徐寄遥主讲
第1讲 中高层大气概论(2学时)
教学重点:大气分层结构、各大气区域的特点、主要物理过程、研究历史、以及研究意义。
教学难点:大气垂直分层结构产生原因。
第一部分 中高层大气动力学(计划10学时):姜国英主讲
第2讲 大气动力学基础(2学时)姜国英主讲
教学重点:基本作用力,基本方程组,平衡运动,涡旋运动。
教学难点:描述大气不同状态的方程,大气平衡运动的种类。
第3讲 大气运动尺度、大气环流(部分)(2学时)姜国英主讲
教学重点:大气运动空间尺度和时间尺度的划分标准,大气环流概述和对流层大气环流。
教学难点:运动方程的尺度分析,大气环流的成因。
第4讲 大气环流(部分)、大气波动(部分)(2学时)姜国英主讲
教学重点:平流层、中间层-低热层大气环流,热层大气环流,波动基本概念及数学描述。
教学难点:中高层大气环流特征及成因,大气波动方程组线性化。
第5讲 大气波动(部分)(2学时)姜国英主讲
教学重点:大气波动在不同高度层中的特征。
教学难点:大气波动种类及描述方程。
第6讲 大气动力学相关模式(2学时)姜国英主讲
教学重点:中高层大气风场模式、中高层大气动力学研究前沿举例。
教学难点:风场模式的理解和运用,科学问题的提出和解决方法。
第二部分 中高层大气光化学(计划6学时):徐寄遥主讲
第7讲 中高层大气光化学基础(2学时)徐寄遥主讲
教学重点:化学反应热力学原理,简单的反应化学动力学,简单的光解反应分子模型。
教学难点:反应速率方程和速率系数。
第8讲 主要化学成分和化学反应(2学时)徐寄遥主讲
教学重点:中高层大气中重要的中性、离子化学成分和光化学反应过程。
教学难点:化学反应方程式的推导。
第9讲 中高层大气成分模拟常用模式(2学时)徐寄遥主讲
教学重点:中性大气模拟常用经验模式-MSIS模式,离子成分模拟常用经验模式-IRI模式,中高层大气物理模式。
教学难点:模式建立方法和模式应用。
第三部分 中高层大气辐射(计划8学时):高红主讲
第10讲 大气和太阳辐射基础知识(2学时)高红主讲
教学重点:电磁波谱分布,基本辐射定律,基本辐射量,大气散射和吸收概念。
教学难点:波尔模型,大气动力学对谱线的影响。
第11讲 大气中的辐射传输特性(2学时)高红主讲
教学重点:辐射传输方程,大气中的光谱吸收,红外辐射传输过程。
教学难点:比尔-布格-朗伯定律,Schwarzschild方程。
第12讲 气辉和极光(2学时)高红主讲
教学重点:气辉和极光的产生机制、分布特征、研究意义。
教学难点:光化学模式推导,气辉和极光的区别。
第13讲 大气辐射在中高层大气研究中的应用(2学时)高红主讲
教学重点:在背景大气成分、大气温度、大气波动等研究中的应用。
        教学难点:物理机制的解释。
第四部分 中高层大气探测与反演(计划12学时):朱亚军主讲
第14讲 中高层大气探测手段综述(2学时)朱亚军主讲
教学重点:不同分类方式下的探测手段,主被动遥感,就位(原位)探测,不同平台的探测及其优缺点介绍。
教学难点:不同平台探测的优缺点。
第15讲 中高层大气主动遥感探测(2学时)朱亚军主讲
教学重点:激光雷达、无线电雷达探测原理及应用介绍。
教学难点:激光雷达和无线电雷达探测原理。
第16讲 中高层大气被动遥感探测(1)(2学时)朱亚军主讲
教学重点:地基和空基光学成像探测,探测波段的选择以及图像识别;大气辐射强度、高光谱探测及反演方法介绍。
教学难点:探测图像识别,大气辐射高光谱探测及反演方法介绍。
第17讲 中高层大气被动遥感探测(2)(2学时)朱亚军主讲
教学重点:大气辐射干涉法测量,典型干涉仪器原理及反演方法介绍。
教学难点:典型干涉仪器原理及反演方法介绍。
第18讲 中高层大气卫星被动光学遥感探测(2学时)朱亚军主讲
教学重点:被动光学天顶观测、(掩星)临边观测和反演方法介绍,典型卫星任务介绍。
教学难点:临边探测探测原理及反演方法。
第19讲 中高层大气遥感探测展望(2学时)朱亚军主讲
教学重点:中高层大气探测的新手段和新方法简介,中高层大气微波遥感探测原理和技术手段,三维层析成像探测原理和方法,卫星编队探测
            教学难点:高层大气微波遥感探测原理和三维层析成像探测原理。
第五部分 研究实例分析,11学时,徐寄遥、朱亚军、姜国英、高红(中科院空间中心)主讲
第20讲 太阳/地磁活动对中高层大气辐射的影响(2学时)高红主讲
        涉及理论知识:太阳辐射、大气化学成分、大气光化学反应、气辉辐射机制。
        教学难点:气辉辐射对太阳和地磁活动发生响应的物理和化学过程。
第21讲 空间天气事件对中高层大气的影响(2学时)徐寄遥主讲
        涉及理论知识:太阳辐射、大气化学成分、气辉辐射机制,大气动力学。
        教学难点:空间天气事件影响中高层大气的物理机制。
第22讲 中高层大气对低层大气剧烈天气事件的响应(2学时)徐寄遥主讲
        涉及理论知识:大气波动产生机制以及波动在大气中的传播和演化过程。
?       教学难点:大气波动的激发机制和传输过程。
第23讲 中高层大气与电离层动力学耦合过程研究(2课时)姜国英主讲
        涉及理论知识:中高层大气与电离层的基本关系,中高层大气风场,电离层电动力学过程。
        教学难点:中性大气与带电成分的相互作用原理。
第24讲 基于卫星临边探测数据的背景大气参数反演与分析(3课时)朱亚军主讲
        涉及理论知识:大气探测原理、大气化学成分、大气光化学和辐射,反演算法,大气动力学对大气辐射的影响。
        教学难点:光化学辐射模型推导,非线性反演算法,编程实践大气参数的反演。
考核方式:笔试(3学时,课堂闭卷,由徐寄遥负责
教学手段与方法:课堂PPT、板书讲授

参考文献

[1]Aeronomy of the middle atmosphere,Guy P. Brasseur and Susan Solomon, Springer,2005
[2]电离层物理概论,熊年禄等编,武汉大学出版社
[3]An Introduction to Atmospheric Radiation, Second Edition,Second Edition,Academic Press,2002
[4]Inverse Methods for Atmospheric Sounding: Theory and Practice, vol.?2 of Series on Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics, Rodgers,?C.?D.,World ?Scientific, Singapore, 2000.a