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第一篇 大气概论2

第一章 行星大气和地球大气的演化2

1.1 行星大气2

1.2 地球大气的演化3

第二章 地球大气的成分及分布6

2.1 干洁大气6

2.1.1 干空气状态方程8

2.1.2 碳的化合物9

2.1.3 臭氧11

2.1.4 硫的化合物16

2.1.5 氮的化合物16

2.1.6 氢、氦和气体的逃逸17

2.2 大气中的水汽18

2.2.1 大气湿度的表示方法19

2.2.2 湿空气的状态方程23

2.2.3 水汽的分布24

2.3 大气气溶胶25

2.3.1 气溶胶粒子的谱分布25

2.3.2 气溶胶粒子的来源27

2.3.3 气溶胶粒子在大气过程中的作用27

习题28

第三章 大气压力30

3.1 大气静力学方程和气压-高度公式30

3.1.1 大气静力学方程30

3.1.2 气压-高度公式31

3.1.3 大气标高32

3.2 大气模式33

3.2.1 等温大气33

3.2.2 多元大气34

3.2.3 均质大气35

3.3 气压-位势高度公式35

3.4 标准大气37

3.5 气压的时空分布41

3.5.1 气压系统及其随高度的变化41

3.5.2 全球海平面气压分布特征43

3.5.3 高空等压面图45

3.5.4 气压随时间的变化46

习题46

第四章 大气的分层和结构48

4.1 大气分层48

4.1.1 按热力结构分层49

4.1.2 按化学成分分层52

4.1.3 外大气层53

4.1.4 按电磁特性分层53

4.2 大气质量及其垂直分布55

4.3 大气的主要下边界面——海洋56

4.3.1 海洋的物理特性56

4.3.2 海流57

习题59

参考文献60

第二篇 大气物理基础62

第五章 地面和大气中的辐射过程62

5.1 辐射的基本概念62

5.1.1 电磁辐射62

5.1.2 描述辐射场的物理量63

5.2 辐射的物理规律66

5.2.1 吸收率、反射率和透射率66

5.2.2 平衡辐射的基本规律67

5.2.3 太阳辐射和地球辐射的差别71

5.3 地球大气与辐射的相互作用72

5.3.1 大气对辐射吸收的物理过程72

5.3.2 大气吸收光谱76

5.3.3 大气对辐射的散射78

5.3.4 辐射能在介质中的传输81

5.4 太阳辐射在地球大气中的传输84

5.4.1 太阳和太阳辐射84

5.4.2 大气上界的太阳辐射能88

5.4.3 太阳的直接辐射91

5.4.4 天空的散射辐射99

5.4.5 地面对太阳辐射的反射和吸收100

5.5 地球-大气系统的长波辐射103

5.5.1 地面的长波辐射特性103

5.5.2 长波辐射在大气中的传输104

5.5.3 大气顶部射出的长波辐射107

5.6 地面、大气及地-气系统的辐射平衡109

5.6.1 地-气系统的辐射平衡109

5.6.2 地球大气的温室效应110

5.6.3 辐射差额沿纬度的变化112

5.6.4 地面、大气和地-气系统的辐射差额112

5.6.5 观测到的辐射平衡117

思考题120

习题120

参考文献122

第六章 大气热力学基础123

6.1 应用于大气的热力学基本规律123

6.1.1 预备知识123

6.1.2 热力学第一定律124

6.1.3 热力学第二定律和态函数125

6.1.4 含液态水的饱和湿空气系统128

6.1.5 大气中的能量132

6.2 大气中的干绝热过程134

6.2.1 干绝热减温率135

6.2.2 位温135

6.2.3 干绝热上升时的露点变化和抬升凝结高度137

6.3 可逆的饱和绝热过程和假绝热过程138

6.3.1 湿绝热减温率138

6.3.2 假相当位温139

6.3.3 焚风141

6.4 大气热力学图解142

6.4.1 温度对数压力图解的构造142

6.4.2 温度对数压力图解的应用144

6.4.3 斜T-lnp图简介145

6.4.4 温熵图解简介145

6.4.5 能量图解的一般原理146

6.5 绝热混合过程147

6.5.1 绝热等压混合（水平混合）147

6.5.2 不同高度空气的绝热混合（垂直混合）148

6.5.3 湍流混合层148

6.6 等压冷却过程149

6.7 温湿参量150

6.7.1 相当温度和湿球温度150

6.7.2 假湿球温度和假湿球位温152

6.7.3 假相当位温和假相当温度153

6.8 大气的静力稳定度154

6.8.1 静力稳定度判据155

6.8.2 条件性不稳定157

6.8.3 关于薄层法和夹卷作用的讨论161

6.9 整层气层升降时稳定度的变化164

6.9.1 未饱和情况及下沉逆温164

6.9.2 对流性不稳定（位势不稳定）166

6.10 逆温层167

思考题168

习题169

参考文献169

第七章 大气动力学170

7.1 大气动力学基本方程组171

7.1.1 旋转坐标系中的牛顿定律171

7.1.2 标准坐标系中的运动方程172

7.1.3 运动方程的张量形式175

7.1.4 连续方程176

7.1.5 热力学方程176

7.1.6 大气动力-热力学方程组176

7.2 大气运动的尺度分析及近似177

7.2.1 大气运动的尺度分析177

7.2.2 连续方程的简化178

7.2.3 水平运动方程的简化及准地转近似180

7.2.4 垂直运动方程的简化和准静力近似182

7.2.5 空气的热力学方程和状态方程184

7.2.6 包辛涅斯克方程组186

7.2.7 大气动力学方程组的另外形式186

7.3 大气中的准地转运动187

7.3.1 气压坐标系188

7.3.2 自由大气中的风场和高度场188

7.4 风随高度的变化和热成风189

7.5 大气中的圆周运动和梯度平衡191

7.6 涡度、环流与环流定理193

7.6.1 涡度与环流193

7.6.2 涡旋流194

7.6.3 开尔文环流定理和皮叶克尼斯环流定理196

7.7 涡度方程199

7.7.1 垂直涡度的标量方程199

7.7.2 涡度方程的尺度分析200

7.8 大气中的重力波、声波及罗斯贝波202

7.8.1 波动方程与波动参数202

7.8.2 表面重力波204

7.8.3 不同密度的流体界面上的波动205

7.8.4 重力内波206

7.8.5 运动大气的重力内波210

7.8.6 旋转地球上的惯性重力内波212

7.8.7 大气中的声波214

7.8.8 罗斯贝波216

思考题219

习题219

参考文献220

第三篇 大气边界层物理222

第八章 大气湍流基础222

8.1 大气湍流222

8.1.1 湍流现象与雷诺实验222

8.1.2 大气湍流的基本特征223

8.1.3 大气湍流的产生和维持224

8.1.4 泰勒假设225

8.2 大气湍流的统计描述226

8.2.1 雷诺平均226

8.2.2 湍流宏观统计参数228

8.2.3 湍流微观能谱229

8.3 大气湍流控制方程230

8.3.1 基本方程231

8.3.2 雷诺平均方程231

8.3.3 湍流动能方程234

8.3.4 平均运动能量方程235

8.4 大气湍流运动和稳定度判据236

8.4.1 大气湍流的平稳性、均匀性和各态历经236

8.4.2 湍流通量和雷诺应力236

8.4.3 湍流闭合及混合长理论238

8.4.4 大气湍流的稳定性判据239

8.5 科尔莫戈罗夫的局地均匀各向同性湍流理论与湍流动能的串级输送240

参考文献242

第九章 大气边界层243

9.1 大气边界层特征243

9.1.1 大气边界层的结构和分类243

9.1.2 气象要素的日变化和边界层的昼夜演变244

9.1.3 边界层中的风和气流245

9.2 近地面层规律246

9.2.1 近地面层的定义和厚度246

9.2.2 近地面层莫宁-奥布霍夫相似性理论247

9.2.3 近地面廓线规律的实验结果250

9.2.4 空气动力学参数特征——地表粗糙长度和零值位移的计算251

9.2.5 近地面层大气湍流统计量253

9.2.6 近地面层大气湍流能谱的相似规律255

9.2.7 近地面湍流通量与热量平衡258

9.3 中性大气边界层261

9.3.1 埃克曼螺线261

9.3.2 埃克曼抽吸263

9.3.3 中性大气边界层的厚度264

9.4 不稳定边界层（对流边界层、混合层）265

9.4.1 对流边界层的基本结构266

9.4.2 混合层发展的预测模式269

9.5 稳定边界层270

9.5.1 一般特征271

9.5.2 稳定大气边界层的预测模式272

9.5.3 低空急流274

习题275

参考文献276

第十章 非均一下垫面对边界层的影响278

10.1 内边界层278

10.1.2 光滑流与粗糙流278

10.1.2 动力内边界层279

10.1.3 热内边界层282

10.1.4 内边界层对扩散的影响284

10.2 山谷风和海陆风284

10.2.1 山谷风285

10.2.2 海陆风285

10.3 过山气流287

10.3.1 中性层结条件下的过山气流288

10.3.2 稳定层结条件下的过山气流289

10.4 城市热岛291

参考文献293

第四篇 云和降水物理学基础与大气电学296

第十一章 云雾形成的宏观条件及一般特征296

11.1 云和降水的分类和生成条件296

11.1.1 云和降水的分类296

11.1.2 云雾生成的宏观条件297

11.2 云雾降水的宏观特征299

11.2.1 对流云宏观特征299

11.2.2 对流风暴302

11.2.3 层状云宏观特性304

11.2.4 卷云的宏观特征304

11.2.5 降水的宏观特征305

11.3 云雾降水的微观特征305

11.3.1 描述方法与尺度分布特征306

11.3.2 云雾滴谱分布307

11.3.3 冰雪晶微观特征309

11.3.4 降水粒子的谱分布313

习题314

参考文献315

第十二章 云雾降水形成的微物理过程316

12.1 云粒子的均质核化316

12.1.1 云滴均质核化和开尔文方程316

12.1.2 核化率318

12.1.3 冰相均质核化319

12.2 云粒子的异质核化321

12.2.1 不可溶性粒子的成核作用321

12.2.2 可溶性粒子的成核作用323

12.2.3 离子诱导核化325

12.2.4 冰相的异质核化325

12.3 大气凝结核和大气冰核326

12.3.1 云凝结核326

12.3.2 大气冰核326

12.4 云滴的凝结增长327

12.4.1 单滴的凝结增长328

12.4.2 群滴的凝结增长331

12.4.3 云滴的起伏凝结增长333

12.5 冰晶的凝华增长334

12.5.1 静稳条件下冰晶的凝华增长334

12.5.2 混合云中冰晶的凝华增长335

12.6 水成物粒子的降落和碰并336

12.6.1 雨滴的降落、变形和破碎336

12.6.2 水滴的下落末速度337

12.6.3 冰雪晶下落末速度339

12.6.4 粒子的碰并效率341

12.7 云滴和雨滴的碰并增长344

12.7.1 重力碰并增长的连续模式345

12.7.2 随机碰并增长347

12.7.3 起伏重力碰并增长348

12.8 冰雪晶的碰并增长349

12.9 层状云降水的形成350

12.10 积状云降水的形成352

12.11 冰雹的形成353

12.11.1 冰雹的结构353

12.11.2 冰雹增长的微物理过程354

12.11.3 冰雹的形成机制355

习题358

参考文献358

第十三章 积云动力学及云模式简介360

13.1 积云动力学方程组360

13.1.1 积云动力学基本方程组360

13.1.2 积云动力学方程组的另一种形式364

13.2 云雾数值模式366

13.2.1 积云一维模式367

13.2.2 多维模式简介372

13.3 微物理过程的处理方法375

参考文献377

第十四章 人工影响天气简介379

14.1 人工影响云雾原理379

14.1.1 人工影响云雾降水原理379

14.1.2 人工抑制冰雹原理380

14.1.3 人工消雾原理381

14.1.4 其他人工影响天气试验381

14.2 人工影响天气催化剂382

14.2.1 人工冰核382

14.2.2 致冷剂383

14.2.3 吸湿性颗粒383

14.3 人工增雨效果检验384

14.3.1 物理检验384

14.3.2 统计检验384

14.4 云数值模式在人工影响天气中的应用385

参考文献388

第十五章 大气电学389

15.1 晴天大气电场389

15.2 大气离子与电导率391

15.2.1 大气离子的产生和复合391

15.2.2 大气离子的物理特征392

15.2.3 晴天大气电导率394

15.3 晴天大气的电荷与电流394

15.3.1 晴天大气体电荷394

15.3.2 晴天大气电流395

15.4 云中大气电结构396

15.4.1 云雾降水粒子的电荷396

15.4.2 层状云大气电结构398

15.4.3 积状云大气电结构398

15.5 雷雨云的起电机制400

15.5.1 离子扩散和选择性吸附离子起电机制401

15.5.2 碰撞感应起电机制403

15.5.3 非感应起电机制405

15.5.4 起电机制的数值模拟407

15.6 雷电的监测407

15.6.1 闪电的照相观测408

15.6.2 大气静电场的测量408

15.6.3 闪电定位409

15.7 大气中的放电现象411

15.7.1 尖端放电411

15.7.2 地闪和云闪413

15.7.3 几种罕见的闪电现象420

15.8 闪电引起的物理效应422

15.8.1 闪电时的电磁场变化422

15.8.2 闪电造成的地面静电场变化423

15.8.3 雷423

15.8.4 天电425

15.8.5 舒曼共振426

15.8.6 闪电与气候变化426

15.9 人工影响雷电简介427

15.9.1 抑制云中起电过程427

15.9.2 人工引发雷电428

15.10 全球大气电过程430

15.10.1 全球大气电学参量430

15.10.2 地-气间的电荷输送及电荷平衡431

15.10.3 全球大气电过程的球形电容器模型431

习题432

参考文献433

第五篇 大气光学、GPS气象和大气声学436

第十六章 散射的基本理论436

16.1 散射436

16.1.1 散射过程436

16.1.2 多粒子散射437

16.1.3 散射的几何图像与参数438

16.1.4 散射与削弱的基本关系式440

16.2 瑞利分子散射440

16.3 均匀球状粒子的散射——米散射444

16.3.1 球状粒子对电磁波的散射和吸收444

16.3.2 米散射的特性445

16.4 实际大气中的散射449

16.4.1 分子大气的散射449

16.4.2 气溶胶的散射450

16.4.3 非球形粒子的散射453

16.5 散射参量的观测455

16.5.1 大气消光系数的测量455

16.5.2 大气散射函数的测量458

习题459

参考文献460

第十七章 大气层的光学现象461

17.1 辐射传输方程461

17.1.1 方程的建立461

17.1.2 辐射传输方程的解462

17.1.3 蒙特卡罗方法463

17.2 天空亮度和色彩的分布464

17.2.1 天空亮度的分布464

17.2.2 天空散射光的偏振466

17.2.3 天空的色彩466

17.3 曙暮光467

17.4 能见度问题470

17.4.1 对比和对比感阈471

17.4.2 对比度传输系数472

17.4.3 气象能见距473

17.4.4 从空中观测地面的能见度474

17.4.5 夜间灯光能见度476

17.5 云雾光学问题477

17.5.1 云雾的含水量和消光系数的关系477

17.5.2 云雾的散射函数和消光系数478

17.5.3 华480

17.5.4 虹和霓482

17.5.5 晕484

习题486

参考文献486

第十八章 光线在大气中的折射488

18.1 大气的折射率488

18.1.1 对流层空气的折射率488

18.1.2 大气折射率的测量490

18.1.3 电离层中的折射率490

18.2 射线在大气中的折射491

18.2.1 射线的轨迹方程——斯涅耳定律491

18.2.2 射线的曲率半径492

18.2.3 折射的分类493

18.2.4 修正折射率及其模数494

18.3 大气折射率对测量的影响495

18.3.1 定位测量的误差495

18.3.2 大气水平非均一对射线折射率的影响496

18.4 天文折射和地文折射497

18.4.1 天文折射现象497

18.4.2 地文折射现象498

习题499

参考文献499

第十九章 GPS气象500

19.1 GPS系统500

19.2 GPS定位原理500

19.3 大气对GPS观测的影响501

19.4 地基GPS测量大气水汽原理502

19.4.1 用双频法消除电离层影响502

19.4.2 静力延迟503

19.4.3 由湿延迟计算大气积分水汽含量504

19.5 低轨卫星星载GPS接收机探测大气的温度廓线505

参考文献507

第二十章 大气声学508

20.1 一些基本概念和定义509

20.2 理想气体小振幅绝热声波的波动方程510

20.3 大气的声学特性512

20.3.1 大气中的声速512

20.3.2 声速在大气中的垂直分布513

20.4 研究声波传播的几何声学方法513

20.4.1 几何声学的基本方程——埃克纳方程513

20.4.2 声线轨迹的斯涅耳定律515

20.5 实际大气中的声线517

20.5.1 无风时的声线轨迹517

20.5.2 有风时的声线轨迹518

20.6 声波在大气中的散射519

20.6.1 声波在湍流大气中的传播方程520

20.6.2 声波在静止湍流大气中的散射521

20.6.3 考虑湿度起伏的声波散射523

20.7 声波在大气中的衰减524

20.7.1 大气分子对声波的吸收衰减524

20.7.2 声波的发散衰减526

20.7.3 大气对声波的逾量衰减527

20.8 源于大自然的声波528

20.8.1 天气现象产生的声波和次声波529

20.8.2 其他来源的次声波530

20.9 大气声遥感530

20.9.1 大气边界层主动声遥感的原理530

20.9.2 声达遥感边界层大气534

20.9.3 声达回波图像揭示的大气现象536

20.9.4 声的被动遥感541

习题542

参考文献543

部分习题答案545

附录549

表A 本书内有关的特征数549

表B 特征数定义中使用的符号549

表C 常用物理常数550