2025春 2024春 2023春 2022春 2021春 2020春 2019春 2018春 2017春 2016春 2015春 课程号：GEPH6214P01
- 课程难度：中等
- 作业多少：中等
- 给分好坏：一般
- 收获大小：一般
| 选课类别：基础 | 教学类型：理论课 |
| 课程类别：研究生课程 | 开课单位：地球和空间科学学院 |
| 课程层次：硕士 | 学分：4.0 |
教学内容与结构
《高层大气环境》由雷久侯和栾晓莉两位老师授课，是地球物理学硕士生的4学分专业基础课。课程内容横跨多个主题，涵盖了中性大气的垂直结构、高层大气动力学、大气潮汐、重力波，以及电离层的行为和现象等。课程大部分以空间物理和大气科学为基础，全面而详细。课程前半部分内容适用于大气科学与固体地球物理方向，后半部分则与空间物理相关。
教学方式与互动
课程教材为雷老师的纯英文课件和栾老师的半中半英课件，课堂上使用中文授课，每堂课后的英文总结帮助留学生理解。课堂活动包括阅读英文文献和回答问题，老师对同学的提问很热情回应，但课堂与课程群互动主要由留学生驱动。
作业与考试
课程共设置了8次平时作业，每次作业1-3道题，内容专业，需要认真阅读课件与文献。作业难度适中，量在空物研课中属中等，不如早期评课所称“作业超多”。期末考核以汇报的形式进行，需提前准备并提交PPT，汇报时长25分钟。
学生反馈与建议
尽管有部分同学认为课程内容对非高层大气研究方向的学生用处不大，但也有反馈认为课程教授的都是必要的基础知识，尤其对于中高层大气和电离层研究人员。总体而言，课程适合从事相关研究的学生选修，而不相关者或许可根据自己的需求决定是否选修。
总结评价
总体而言，课程结构紧凑，覆盖全面，适合与课程内容对口或有相关研究需求的同学。雷老师的双语教学对留学生提供了良好的支持，课程作业和期末评估设置合理，但对低兴趣学生或非相关领域学生可能不具吸引力。对于需掌握高层大气理论的学生，课程是一个扎实的选择，否则可能需要根据大纲慎重考虑是否选修。
- 课程难度：中等
- 作业多少：中等
- 给分好坏：一般
- 收获大小：很多
- 难度：中等
- 作业：中等
- 给分：一般
- 收获：很多
《高层大气环境》是地球物理学硕士生的专业基础课，4学分，1-16周上课，除去国庆假期共上15节课，其中最后1节课为纯期末汇报。研究生课的授课内容比较难找，因此特作整理，前14节课的授课内容如下：
| 课节数 | 章节 | 授课老师 | 课堂主题 |
| 1 | 第1章 中性大气垂直结构 | 雷久侯老师 | 热结构与热平衡 |
| 2 | 流体静力学平衡 | ||
| 3 | 第2章 高层大气动力学 | 高层大气动力学 | |
| 4 | 第3章 大气潮汐 | 大气潮汐：观测 | |
| 5 | 大气潮汐：理论 | ||
| 6 | 第4章 高层大气的重力波 | 高层大气的重力波 | |
| 7 | 第5章 电离层行为 | 电离层行为 | |
| 8 | 第6章 电离层电场与电流 | 电离层电场与电流 | |
| 9 | 第7章 中低纬电离层现象 | 栾晓莉老师 | 电离层主要观测与数据来源 |
| 10 | 中低纬电离层现象 | ||
| 11 | 更多典型电离层现象 | ||
| 12 | 前沿讲座 高层大气对太阳活动响应 | 雷久侯老师 | 高层大气对EUV瞬时变化响应 |
| 13 | 高层大气对太阳风暴响应 | ||
| 14 | 前沿讲座 电离层不均匀体 | 电离层不均匀结构数值与实验室模拟研究 |
7-2中低纬电离层现象可能拆成两节课来讲了（有俩PPT），而第3章两个可能并在一块讲了，具体课时安排记不清楚。更详细的授课内容大纲如下：
第1章 中性大气垂直结构 Neutral Atmosphere Vertical Structure
热结构与热平衡 Thermal Structure and Thermal Balance
能量的源与汇 Energy Sources and Sinks
分子传导与热梯度 Molecular Conduction and Thermal Gradient
流体静力学平衡 Hydrostatic Balance
热层组分 Thermosphere Composition
平均大气分子量/高度 Mean Molecular Weight vs. Height
均质层与异质层 Homosphere-Heterosphere
流体静力学平衡的偏离：扩散与化学时间常数 Deviations from Hydrostatic Balance: Diffusive and Chemical Time Constants
第2章 高层大气动力学 Dynamics of the upper atmosphere
控制方程 Governing Equations
高层大气中的动量方程 Momentum Equation in the upper atmosphere
离子拖曳力和粘滞力 Ion Drag Force and Viscous Forces
离子-中性耦合 Ion / Neutral Coupling
一般热层环流 General Thermospheric Circulation
极地环流 Polar Circulation
风的环流和组成 Wind circulation and composition
第3章 大气潮汐 Atmospheric tides
大气潮汐观测 Atmospheric tides observations
大气潮汐理论 Atmospheric tides: theory
基本方程 Basic equations
水平潮汐结构 Horizontal tidal structure
垂直潮汐结构 Vertical tidal structure
模型 Models
第4章 高层大气中的重力波 Gravity waves in the upper atmosphere
什么是重力波 What are Gravity Waves
重力波的来源 GW Sources
为什么我们关心重力波 Why do we care about GWs
浮性(Brunt-Vaisala)频率 Buoyancy or Brunt-Vaisala frequency
线性波理论 Linear wave theory
色散关系 Dispersion relation
临界水平滤波 Critical level filtering
重力波破碎 GW breaking
典型重力波特性 Typical GW properties
第5章 电离层行为 Principle of the Ionosphere
电离层是什么 What’s the Ionosphere
控制方程 Governing Equations
光化学过程 Photo-chemical Process
电离层输运 Ionospheric Transport
双极扩散 ambipolar diffusion
中性风输运 neutral wind transport
电场输运 electric field transport
电离层发电机 ionospheric dynamo
等离子体的能量收支 Energy Budget of the Plasma
第6章 电离层电场与电流 Ionospheric electric field and current
什么是电场 What’s electric field
麦克斯韦方程组 Maxwell‘s Equations
地球磁场 Earth magnetic field
电离层电流和电场观测 Observations of ionospheric current and electric fields
电离层发电机过程 Ionospheric dynamo processes
静电(准电中性)假设 Electrostatic assumption
离子和电子的运动 Motion of ions and electrons
电离层电流、欧姆定律和泊松方程 Ionospheric current, Ohm’s law and Poisson's equation
电离层电流的变化及其驱动因素 Changes of ionospheric current and the associated driver
电离层电场的影响 Impact of ionospheric electric field
第7章 中低纬电离层现象 Phenomenon of the Low and middle latitude ionosphere
前情提要 Review for some basic points
电离层电离成分与中性大气成分的对比 Comparison: Earth’s Thermosphere and Ionosphere
电离层的结构 Ionospheric composition
电离层中的物理过程 Basic processes
电离层光化学平衡 photochemical equilibrium For higher altitude
高层大气环流：大气的平均/季节运动行为 Neutral circulation: An averaged behaviour
电离层电子浓度探测与反演 plasma density observations
磁离子理论：Appleton－Hartree公式
模拟与数字测高仪 ionosonde
宇宙噪音吸收 Riometer/Rio-Imager
非相干散射雷达 ISR
GPS探测电离层总电子含量 TEC
掩星探测 COSMIC
电离层层析技术 Ionospheric Tomography
中低纬电离层现象 Phenomenon of the Low and middle latitude ionosphere
电离层变化的源 Source of the ionospheric variations
太阳辐射的变化
地磁场位形
大气环流
低层大气潮汐
太阳风与高纬能量注入
电离层的规则与不规则变化 lower ionosphere: basic variations (normal & abnormal)
D层
E层和偶发E
F1层
F2层
典型电离层现象的分析 Higher ionospheric variation
电离层bite-out(咬失)
F2层经典异常 F2-layer and TEC anomaly
电离层伺服原理 servo model
更多典型电离层现象
中纬电离层现象：
Weddle sea anomaly
夏季电离层夜间异常 Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA)
经度变化与电离层的‘惰性’ longitudinal variations and time delay
低纬电离层现象：
电离层电子密度赤道异常 EIA (Appleton异常)
电离层峰高赤道异常 EHA
前沿讲座：高层大气对太阳活动响应 Solar activity
高层大气对太阳EUV瞬时变化响应 Upper Atmospheric Responses to transient Solar EUV radiation changes
背景与基本物理 Background and basic physics
高层大气对太阳EUV瞬时变化响应 Upper Atmospheric Responses to transient Solar EUV radiation changes
日食 Solar eclipse
太阳耀斑 Solar flare
总结 Summary
电离层-热层对太阳风暴响应 Ionospheric and thermospheric response to storm
热层响应 Thermospheric response
电离层响应 Ionospheric response
前沿讲座：电离层不均匀结构数值与实验室模拟研究
不均匀体研究背景介绍
不均匀体数值模拟研究
不均匀体实验室模拟研究
未来展望与挑战第7章结构稍微有些混乱，无伤大雅。先前有评课认为“只是对他(雷久侯组)的学生有帮助”，我认为不大中肯。如果翻阅一遍课程大纲你会发现，只要是做与中高层大气、电离层相关的研究，这门课所讲授的都是必要的基础知识。这门课的前半部分（只涉及中性大气的4章），甚至对大气科学与固体地球物理部分方向的同学都是基础；而这门课的后半部分（5-7章）则是空间物理本科必修课程《空间物理学导论》电离层部分的扩展版。当然，这门课对应空间物理和大气科学的耦合处，对于空间物理中更“高”的那些研究方向确实用不到这门课的内容；但是话说回来，整个地球物理学专业没有一门专业课是必修课，如果你选课前看过公共查询上的课程大纲，发现这课对你没用，那不选就是了。
雷老师的课件是纯英文的，栾老师的课件则是半英半中，授课都是中文。课堂上有好几位留学生，因而雷老师每用中文讲一页PPT就会用英文总结一遍。这点充分说明了雷老师对同学的照顾：空间物理的硕士留学生并不少，他们要毕业也需要和国内同学一样正常完成课业。然而，至少我研一一年上过的其它空物研课都是纯中文授课（其中大多数课时不紧张），留学生也会正常到课（好吧，他们到课甚至比我勤），但只能呆呆地抬头看课件。连这样小众且他人不关注的需求雷老师都能注意到，那雷老师对多数同学的需求更是能照顾了。雷老师向来会热情地回复同学的问题，但很可惜的是，国内学生的学习热情似乎不如留学生，至少课堂与课程群的互动是以留学生为主。
每节课都有“点名”，助教上课前会坐在第一排，展示一张纸质选课表，而每名同学每节课要在表上签自己的名字。整个学期只换过一次表。课上会偶尔点人回答问题，回答错了没有负反馈。每节课前会给每位同学发1-2份纸质版(英文)文献，课堂上老师会空出一段时间让同学阅读文献。每次上课要上一下午(6,7,8,9,10)，4个小时出头，还是挺吃力的。
平时作业：学期内(1-7章)留了8次作业，每次作业1-3道题。作业题不难、不算花精力，但作业题涉及的知识点过于专业，在互联网上很难找到，许多题AI也解决不了；因而需要认真阅读课件与文献以寻找知识点（点名第4次作业的Hough模）。另外，第2次作业是给了一个中性大气MSIS模型的Fortran代码，要求从中读取数据，编程要小花一点时间。总地来说，这门课的作业量在空物研课中属于中游，不像先前的评课所说的“作业超多”。不过，早先那篇评课是2018年的，到现在可能是时代变了——这门课改革了，抑或是空物研课整体变得洼地了。
期末汇报：这门课的期末考核方式是期末汇报。期末汇报要汇报25分钟，在期中时确定汇报主题：可以汇报自己的课题，或者由老师安排汇报主题，后者老师会提供阅读材料。汇报自己研究课题的同学准备20分钟左右的汇报外加5分钟的阅读汇报，其他同学准备25分钟关于阅读材料及其相关参考文献的汇报。由于单次汇报时间长且人人要汇报，期末汇报安排在最后4节课，其中前3节是前半节课上课(前沿讲座)后半节课汇报，最后一节是纯粹汇报。汇报PPT要提前3天（当周周一）提交给助教。本人把汇报时间搞错了，期中时安排是在第17周汇报，但后来改成了第16周汇报，我没看见，且第16周是最后一节课；我没怎么关注课程群，因而汇报当天课前1个小时我才知道汇报提前了，无奈只能找雷老师申请，延后几天线上提交汇报录屏。我大一时翘了热学期中考试，研一又翘了期末，属实风雅传承了。
截止今天（2025.7.8）这门课还没有出分，目前静待审判中。刚刚刷新了一下，突然发现出分了，喜提84。虽然是迄今研课最低分，但我这门课的表现属实抽象，算是应得了。除去爽翘期末，之前还有一次课，前一天晚上打算通宵骑车去巢湖，结果骑行时长远超我想象，导致我第二天的课没赶回来。跟老师请假，老师都bbz了。
一些资料：
课件：
Thermosphere structure-Ch1-lecture1-1.pdf
Thermosphere structure-Ch1-2n.pdf
Tides and waves-mod-Ch3new.pdf
current and electric field-ch6.pdf
课件命名比较混乱，且和参考文献文件混淆，注意整理。
部分参考/阅读文献（部分综述文献/参考书可以当作教材）：
第1章-中性大气垂直结构：Chapter 4n.pdf
第2章-高层大气动力学：行星逃逸-崔峻.pdf
第3章-大气潮汐：tidal and planetary waves Forbes.pdf
第4章-重力波：An Introduction to Atmospheric Gravity Waves 0125140827[pdf].pdf、2001RG000106.pdf、2012RG000409.pdf
第7章-中低纬电离层现象：Additional_articles.zip
前沿讲座-太阳活动：2020GL087140.pdf
作业题请自行询问学长。
