大气物理学 第2版PDF电子书下载

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