自由大气（free atmosphere）是指摩擦层以上、空气运动不受地表摩擦影响的大气。其下限高度随季节不同而变，冬季约500米，夏季约2000米。在中、高纬度，自由大气中空气运动基本遵守地转风或梯度风法则，气流几乎与等压线平行。

自由大气（free atmosphere）是指远离地面、不受地面摩擦力影响的大气，通常是指2000米高度以上的大气层。自由大气层中，由于没有摩擦力的作用，空气的运动主要受气压梯度力和科里奥利力的影响。通常将单位距离内气压变化的大小称为气压梯度，气压梯度使空气产生运动的力称为气压梯度力;科里奥利力或又简称为科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

（1）自由大气远离地面、不受地面摩擦力影响；

（2）自由大气空气的运动主要受气压梯度力和科里奥利力的影响；

（3）自由大气与天气发生、发展的物理过程有关；

（4）自由大气距离地面2000米以上；

（5）自由大气中空气运动基本遵守地转风或梯度风法则，气流几乎与等压线平行。

重力波可能引起各种中尺度环流以及动力学现象，包括触发对流性风暴、传输能量和动量等，因此具有重要意义。

重力波是因静力稳定大气受到扰动而产生的惯性振荡的传播。当气块受到扰动离开平衡高度向上移动时绝热冷却，重力使其回复到平衡位置。而当气块继续向下运动时，气块绝热增温，浮力使其回复到平衡位置去。这种振动向外传播便形成波动，由于引起气块上下移动的力是重力或浮力，因此这种波叫重力波或浮力波。

重力波是一种垂直横波。这类波动水平传播时，空气质点上、下移动。与之相对照，纵波或压缩波传播时，质点运动是平行于波的传播方向的。而水平横波纬向传播时，质点是作经向移动的。背风波也是一种重力波，是一种有与地形有关的固定发生源的重力波。

重力波可发生在大气层的各个高度上。低至近地面层，高至75~100 km的高空都能观测到重力波。它们一般可分为三种类型。第一种是发生在大气很高层(高于20km)的重力波；第二种是发生在很低层(低于500 m)的重力波，这种波通常是开尔文-赫姆霍茨波(简称K-H波)，这类波的波长很短，它们通常是中、小尺度系统之间的联系者；第三种重力波是发生在500 m至20 km之间的大气层，也就是大气层主体中的重力波。

发生在大气层主体中的重力波包括次天气尺度和中尺度两类，其中次天气尺度重力波的波长长达上千千米。中尺度重力波波长范围很宽。根据15名研究者的17份研究报告统计，中尺度重力波的波长为4.4~300 km，平均约34 km；振幅约852 m，气压振幅为0.1~5 hPa，平均为0.9 hPa；周期为4~160分钟，平均约为27分钟；相速为5.9~60 m/s，平均约为26 m/s。

早年对重力波的观测主要使用微压计。现代观测中微压计仍是主要仪器之一。现代的微压计灵敏度很高，可测出10微巴以下的气压变化。根据观测，典型的对流层中尺度重力波有两种类型。一种是大振幅的不规则型。另一种是振幅较小的较规则型。除了微压计外，现代还用卫星、雷达、气象飞机和声学探测法等方法和工具来探测重力波。

水汽压是一个基本的气候要素，探讨水汽压的时空分布对于了解各地湿润状况有着重要意义。经前人研究，得出自由大气水汽压的基本特征如下：

1.无论自由大气或山地，水汽压都以相当高的精度服从e = a ( P /1000)6规律垂直向上递减。递减的快慢取决于水汽压递减系数b, b越大，递减越快。自由大气中b平均为4,0，山地则为2.5。

2.水汽压递减系数与测点纬度、离大水体距离、山脉走向、拔海高度等地理条件以及和环流状况、下垫面状况等有关.对于自由大气，以离大水体远近和环流状况影响最为显著;而山地则以山脉走向和下垫面状况影响为主。

3.水汽压递减系数存在着季节变化。在我国自由大气水汽压递减系数年变化可以分为四种型式:全年少变型、春秋双峰型、夏季型、冬季型.且以前两种型式最为普遍;山地的递减系数年变化可分为两种:春秋双峰型、冬季型。

4.自由大气和山地水汽压递减系数的分布规律，既有共同点又有不同点.其共同点为:高原大于平原，平原大于盆地，干燥地区大于湿润地区，夏季分布比冬季均匀。不同在于:山地水汽压递减系数分布较自由大气复杂，水平梯度比自由大气大，尤以山脉的迎风坡和背风坡的水平梯度最大。另外，水体对自由大气水汽压递减系数的影响有明显的季节变化，而对山地则不然。

讨论在一些力的平衡下的大气水平运动，即所谓大气平衡运动。这些平衡运动有：地转风、梯度风、旋转风等，这些平衡运动反映了大气运动的基本特征。

平衡流场：气流方向无外力的定场水平流场。

自由大气中，水平气压梯度力与科氏力二者的平衡称为地转平衡；相应的空气水平运动称为地转风。

在离地约1000米以上的自由大气中，摩擦力很小。同时，我们也知道大尺度大气运动非常接近水平，而且惯 性力相对又比较小 。因此，对于水平面上的大尺度大气运动可以只考虑地转偏向力和气压梯度力。

地转风的方向平行于等高面上的等压线或等压面上的等高线，在北半球，背风而立，高压在右，低 压在左。在南半球则相反。地转风的大小与水平气压梯度的大小或位势梯度的大小成正比，与地转参数及空气密度成反比。在自由大气中，一般把地转风看作是实际风的一个良好近似，所以在天气图分析和预报时常用地转风来代表实际风。

地转风随高度的变化，如果在某气层中平均气温是均匀分布的，则两气压层间的垂直厚度也是均匀的。在这种情况下，气压场在垂直万向上没有改变，等压面在垂直方间的坡度也不改变，地转风不随高度变化，各等压面上最低高度的位置正好在同一垂直线上。如果气层中平均温度分布不均匀，右侧比左侧暖，这时最低气压的轴线愈往高处则愈偏于冷空气一侧。

一般当风自暖空气吹向冷空气时（暖平流），风向将随高度作反气旋式旋转；当风自冷空气吹向暖空气时（冷平流），风向将随高度作气旋式旋转。

地转风是地转偏向力与气压梯度力严格平衡时的运动，这时空气质点的速率和方向是不改变的，也就是说等压线是直的。因此，在等压线曲率较大的地区，或者沿气流方典等压线分布的疏密很不均匀的条件下，地转风近似就比较差。在空气质点运动时，如果其轨迹的曲率甚大，则向心加速度很显著而切向加速度却很小。这种情况下，地转偏向力、气压梯度力和离心力相平衡，我们称这种平衡运动为梯度风。

有气旋性弯曲的气流中，梯度风比地转风小而在有反气旋性弯曲的气流中，梯度风要大于地转风 。

惯性运动表现出了地球自转的一个固有偏向本质，它只能改变运动的方向，而不能改变运动的速度，这就是地转偏向力。在地转偏向力起作用的运动中，运动总包含着一种以半摆日为周期的振动。

正压和斜压是动力气象学中的重要概念之一，是表示大气中气压场和质量场分布的关系，这种分布关系对于大气的运动有着很大的影响。如果在大气中各个高度上等压面和等密度面相重合，即大气中气压场和质量场密度场满足，这时密度分布仅决定于气压分 ，称这种大气是正压的。在正压大气中，由于等压面和等密度面相重合，因此等压面也和等温面相重合，故等压面上没有等温线出现。而且任何两个等压面之间的气层厚度到处相等，因此地转风不随高度改变，也就不存在热成风。又由于正压大气中没有风的垂直切变，所以可用一个层次（例如500毫巴等压面）的运动状况来代表整个大气的情况。在正压大气中扰动也是可以发展的，但由于等压面上水平温度梯度为零，没有位能的释放，扰动发展的能源仅来平均运动动能的转换。密度的空间分布不仅依赖于气压还依赖于密度，这种大气状态称为斜压。

自由大气紫外光通信（简称紫外光通信）是利用大气中的粒子、气凝胶、灰尘等微粒对日盲波段紫外光的散射作用进行信息传输的一种新型的通信模式，可工作在非视距方式下，具有低窃听、低位辨、全方位、隐蔽性和抗干扰能力极强等优点，是满足战术通信要求的理想手段，尤其适用于在无线电静默时段内调度部队和指挥战役。近年来，紫外光通信技术的研究倍受世界军事强国的重视。

目前，应用于紫外光通信系统中的紫外日盲区光源主要有紫外气体灯、紫外激光器、紫外发光二极管（紫外LED）三大类。

紫外光通信技术越来越受到各军事大国的重视，相关器件材料的研制工作也正在如火如荼地展开。上述几类光源器件近年来也得到了较快的发展，其中紫外LED正在成为紫外日盲区光源的研究热点。随着大功率紫外LED和紫外LED阵列的出现，它将逐步替代气体光源和激光器，以其低功耗、低成本、易高速驱动、体积重量小、寿命长、坚固不易碎等优点，为实现高速率的紫外光通信系统以及坚固耐用、便携的通信设备提供了坚实的保障。