大气科学 中文版PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　研究内容及近期的主要进展 1

1.2　相关概念及术语 3

1.3　大气的基础知识 6

1.3.1　光学特性 6

1.3.2　大气质量 7

1.3.3　大气化学成分 8

1.3.4　大气的垂直结构 9

1.3.5　风场 13

1.3.6　降水 20

1.4　第2章简介 22

习题 23

第2章　地球系统 25

2.1　地球系统的成员 25

2.1.1　海洋 25

2.1.2　冰雪圈 32

2.1.3　陆地生物圈 36

2.1.4　地壳和地幔 38

2.1.5　地球系统中各部分对气候的作用 39

2.2　水循环 40

2.3　碳循环 42

2.3.1　大气中的碳 44

2.3.2　生物圈中的碳 44

2.3.3　海洋中的碳 46

2.3.4　地壳中的碳 47

2.4　地球系统中的氧 48

2.4.1　氧的来源 48

2.5　气候和地球系统的历史 51

2.5.1　地球系统的形成和演变 51

2.5.2　1亿年前 54

2.5.3　100万年前 55

2.5.4　2万年前 58

2.6　地球：适合生物生存的星球 59

习题 61

第3章　大气热力学 65

3.1　气体定律 65

3.1.1　虚温 68

3.2　流体静力学方程 69

3.2.1　重力位势 71

3.2.2　标高和测高方程 72

3.2.3　等压面的厚度和高度 73

3.2.4　海平面气压换算 74

3.3　热力学第一定律 75

3.3.1　焦耳定律 76

3.3.2　比热 78

3.3.3　焓 79

3.4　绝热过程 80

3.4.1　气块的概念 80

3.4.2　干绝热温度递减率 80

3.4.3　位温 81

3.4.4　热力学图 82

3.5　空气中的水汽 83

3.5.1 湿度参数 84

3.5.2　潜热 88

3.5.3　饱和绝热和假绝热过程 89

3.5.4　饱和绝热递减率 89

3.5.5　相当位温和湿球位温 90

3.5.6　诺曼德定律 91

3.5.7　先上升后下沉的净效果 91

3.6　静力稳定度 93

3.6.1　未饱和空气 93

3.6.2　饱和空气 96

3.6.3　条件性不稳定和对流性不稳定 97

3.7　热力学第二定律及熵 98

3.7.1　卡诺循环 99

3.7.2　熵 101

3.7.3　克劳修斯-克拉珀龙方程 103

3.7.4　热力学第二定律的一般化论述 106

习题 108

第4章　辐射传输 120

4.1　辐射波谱 120

4.2　辐射定量描述 121

4.3　黑体辐射 124

4.3.1　普朗克函数 124

4.3.2　维恩位移定律 125

4.3.3　斯蒂芬-玻耳兹曼定律 125

4.3.4　实际物体的辐射特征 127

4.3.5　基尔霍夫定律 128

4.3.6　温室效应 128

4.4　散射、吸收和发射的物理意义 129

4.4.1　气体分子和粒子的散射作用 130

4.4.2　粒子吸收作用 133

4.4.3　气体分子的吸收和发射 134

4.5　行星大气中的辐射传输 137

4.5.1 比尔定律 137

4.5.2　大气层的反射和吸收 141

4.5.3　红外辐射的吸收和发射 142

4.5.4　辐射加热率的垂直廓线 145

4.5.5　卫星被动遥感 147

4.6　大气顶部的辐射平衡 151

习题 152

第5章　大气化学 159

5.1　对流层大气的组成 159

5.2　微量气体的源、输送和汇 163

5.2.1　源 163

5.2.2　输送 166

5.2.3　汇 169

5.3　对流层中的一些重要的微（痕）量气体 169

5.3.1　氢氧自由基 169

5.3.2　部分活性氮化合物 171

5.3.3　有机化合物 172

5.3.4　一氧化碳 172

5.3.5　臭氧 172

5.3.6　氢化合物 176

5.3.7　含硫气体 176

5.4　对流层气溶胶 177

5.4.1　源 178

5.4.2　化学组成 181

5.4.3　输送 182

5.4.4　汇 182

5.4.5　浓度和尺度分布 183

5.4.6　停留时间 185

5.5　空气污染 185

5.5.1　污染源 185

5.5.2　烟雾 188

5.5.3　区域和全球污染 190

5.6　对流层化学循环 191

5.6.1　氮循环 192

5.6.2　硫循环 193

5.7　平流层化学 194

5.7.1　未扰动的平流层臭氧 194

5.7.2　人类活动对平流层臭氧的影响：臭氧洞 200

5.7.3　平流层气溶胶、平流层中的硫 206

习题 209

第6章　云微物理学 218

6.1　水汽的凝结核化 218

6.1.1　凝结核化原理 219

6.1.2　云凝结核 223

6.2　暖云的微结构 225

6.3　云液水含量及夹卷 228

6.4　暖云中云滴的增长 232

6.4.1　凝结增长 232

6.4.2　碰并增长 234

6.4.3　云滴凝结增长和碰并增长之间的过渡 240

6.5　冷云微物理学 244

6.5.1　冰质粒的核化；冰核 244

6.5.2　云中的冰质粒浓度；冰晶繁生 249

6.5.3　云中冰质粒的增长 252

6.5.4　冷云中降水的形成 258

6.5.5　固体降水的分类 260

6.6　人工影响云和降水 261

6.6.1　人工影响暖云 262

6.6.2　人工影响冷云 262

6.6.3　无意识人工影响 266

6.7　雷暴与起电 267

6.7.1　电荷的产生 268

6.7.2　闪电和雷声 270

6.7.3　全球电路 272

6.8　云和降水化学 276

6.8.1　总论 276

6.8.2　质粒和气体的传输 276

6.8.3　核化清除 277

6.8.4　气体在云滴中的溶解 277

6.8.5　液相化学反应 278

6.8.6　降水清除 279

6.8.7　降水中硫酸盐的来源 279

6.8.8　雨水的化学组分 279

6.8.9　由云生成的气溶胶 279

习题 281

第7章　大气动力学 287

7.1　大尺度水平气流运动学 287

7.1.1　气流的基本运动学特征 287

7.1.2　涡度和散度 288

7.1.3　形变 290

7.1.4　流线与轨线 291

7.2　水平流体动力学 292

7.2.1　视示力 292

7.2.2　真实力 296

7.2.3　水平运动方程 297

7.2.4　地转风 297

7.2.5　摩擦效应 298

7.2.6　梯度风 299

7.2.7　热成风 300

7.2.8　行星旋转下的垂直运动 302

7.2.9　涡度守恒原理 303

7.2.10　位涡 305

7.3　原始方程 307

7.3.1　气压垂直坐标 307

7.3.2　静力平衡 308

7.3.3　热力学能量方程 308

7.3.4　垂直运动场的推导 310

7.3.5　原始方程组的解 312

7.3.6　原始方程组的一个应用 313

7.4　大气环流 315

7.4.1　动能循环 316

7.4.2　大气热机 318

7.5　数值天气预报 318

习题 321

第8章　天气系统 330

8.1　温带气旋 330

8.1.1　概述 331

8.1.2　锋和地面天气 335

8.1.3　垂直结构 344

8.1.4　空气轨迹 351

8.1.5　寻找完美风暴 353

8.1.6　自上而下的影响 355

8.1.7　潜热释放的影响 356

8.2　地形作用 357

8.2.1　背风坡锋生和背风坡槽 357

8.2.2　罗斯贝波沿倾斜地形传播 358

8.2.3　冷空气堆积 359

8.2.4　地形引起的暴风 359

8.2.5　地形对降水的影响 361

8.3　深对流 362

8.3.1　环境控制 362

8.3.2　对流风暴的结构和演变 366

8.3.3　与对流风暴有关的破坏性风 374

8.3.4　中尺度对流系统 381

8.4　热带气旋 384

8.4.1　结构、热力学以及动力学 384

8.4.2　生成和生命期 386

8.4.3　风暴潮 388

习题 388

第9章　大气边界层 391

9.1　湍流 392

9.1.1　涡旋和热泡 392

9.1.2　湍流的统计描述 394

9.1.3　湍流动能和湍流强度 396

9.1.4　湍流输送和通量 397

9.1.5　湍流闭合 399

9.1.6　湍流尺度和相似理论 400

9.2　地表能量平衡 402

9.2.1　辐射通量 402

9.2.2　地表能量平衡 402

9.2.3　整体空气动力学公式 404

9.2.4　全球地表能量平衡 407

9.3　垂直结构 408

9.3.1　温度 408

9.3.2　湿度 409

9.3.3　风 409

9.3.4　边界层结构的逐日变化和区域变化 412

9.3.5　层结对湍流和稳定性的非局地影响 413

9.4　演变 415

9.4.1　夹卷 415

9.4.2　边界层发展 416

9.4.3　陆面云盖下边界层 418

9.4.4　海洋边界层 419

9.4.5　风暴天气 422

9.5　特殊效应 423

9.5.1　地形作用 423

9.5.2　海陆风 425

9.5.3　森林冠层效应 427

9.5.4　城市效应 428

9.6　进展中的边界层气象学 429

习题 430

第10章　气候动力学 434

10.1　现代气候 434

10.1.1　年平均状况 434

10.1.2　与一天时间的依赖关系 438

10.1.3　与季节依赖的关系 438

10.2　气候变率 443

10.2.1　内部产生的气候变率 446

10.2.2　耦合气候变率 448

10.2.3　外强迫气候变率 457

10.3　气候的平衡、敏感性及反馈效应 463

10.3.1　瞬变响应与平衡响应 465

10.3.2　气候反馈效应 466

10.4　温室效应 470

10.4.1　温室气体的增长 471

10.4.2　人为引起的温室增暖效应是否明显？ 476

10.4.3　未来人类活动引起的温室效应预估 479

10.5　气候监测与预测 480

习题 481