大气物理学PDF电子书下载

目录 2

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 28

习题 29

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

3.2.1　等温大气 33

3.2　大气模式 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

4.1　大气分层 48

第四章　大气的分层和结构 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

5.1.1　电磁辐射 62

5.1　辐射的基本概念 62

第五章　地面和大气中的辐射过程 62

第二篇　大气物理基础 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 75

5.3.3　大气对辐射的散射 77

5.3.4　辐射能在介质中的传输 81

5.4.1　太阳和太阳辐射 84

5.4　太阳辐射在地球大气中的传输 84

5.4.2　大气上界的太阳辐射能 87

5.4.3　太阳的直接辐射 90

5.4.4　天空的散射辐射 98

5.4.5　地面对太阳辐射的反射和吸收 99

5.5　地球-大气系统的长波辐射 102

5.5.1　地面的长波辐射特性 102

5.5.2　长波辐射在大气中的传输 102

5.5.3　大气顶部射出的长波辐射 105

5.6　地面、大气及地气系统的辐射平衡 107

5.6.1　地气系统的辐射平衡 108

5.6.2　地球大气的温室效应 109

5.6.3　辐射差额沿纬度的变化 110

5.6.4　地面、大气和地气系统的辐射差额 111

5.6.5　观测到的辐射平衡 115

思考题 120

习题 120

第六章　大气热力学基础 122

6.1　应用于大气的热力学基本规律 122

6.1.1　预备知识 122

6.1.2　热力学第一定律 123

6.1.3　热力学第二定律和态函数 124

6.1.4　含液态水的饱和湿空气系统 127

6.1.5　大气中的能量 131

6.2　大气中的干绝热过程 132

6.2.1　干绝热减温率 133

6.2.2　位温 134

6.2.3　干绝热上升时的露点变化和抬升凝结高度 135

6.3　可逆的饱和绝热过程和假绝热过程 136

6.3.1　湿绝热减温率 137

6.3.2　假相当位温 137

6.3.3　焚风 139

6.4　大气热力学图解 140

6.4.1　温度对数压力图解的构造 140

6.4.2　温度对数压力图解的应用 142

6.4.3　温熵图解简介 143

6.4.4　能量图解的一般原理 143

6.5　绝热混合过程 144

6.5.1　绝热等压混合（水平混合） 144

6.5.2　不同高度空气的绝热混合（垂直混合） 145

6.5.3　湍流混合层 146

6.6　等压冷却过程 147

6.7　温湿参量 148

6.7.1　相当温度和湿球温度 148

6.7.2　假湿球温度和假湿球位温 150

6.7.3　假相当位温和假相当温度 150

6.8　大气的静力稳定度 152

6.8.1　静力稳定度判据 152

6.8.2　条件性不稳定 155

6.8.3　关于薄层法和夹卷作用的讨论 159

6.9.1　未饱和情况及下沉逆温 162

6.9　整层气层升降时稳定度的变化 162

6.9.2　对流性不稳定（位势不稳定） 163

6.10　逆温层 165

思考题 166

习题 166

第七章　大气动力学 167

7.1　大气动力学基本方程组 168

7.1.1　旋转坐标系中的牛顿定律 168

7.1.2　标准坐标系中的运动方程 169

7.1.3　运动方程的张量形式 172

7.1.4　连续方程 172

7.1.5　热力学方程 173

7.1.6　大气动力-热力学方程组 173

7.2.1　大气运动的尺度分析 174

7.2　大气运动的尺度分析及近似 174

7.2.2　连续方程的简化 175

7.2.3　水平运动方程的简化及准地转近似 177

7.2.4　垂直运动方程的简化和准静力近似 179

7.2.5　空气的热力学方程和状态方程 181

7.2.6　包辛涅斯克方程组 182

7.2.7　大气动力学方程组的另外形式 183

7.3　大气中的准地转运动 184

7.3.1　气压坐标系 184

7.3.2 自由大气中的风场和高度场 185

7.4　风随高度的变化和热成风 185

7.5　大气中的圆周运动和梯度平衡 187

7.6.1　涡度与环流 190

7.6　涡度、环流与环流定理 190

7.6.2　涡旋流 191

7.6.3　开尔文环流定理和皮叶克尼斯环流定理 193

7.7　涡度方程 196

7.7.1　垂直涡度的标量方程 196

7.7.2　涡度方程的尺度分析 197

7.8　大气中的重力波、声波及罗斯贝波 198

7.8.1　波动方程与波动参数 199

7.8.2　表面重力波 201

7.8.3　不同密度的流体界面上的波动 202

7.8.4　重力内波 203

7.8.5　运动大气的重力内波 207

7.8.6　旋转地球上的惯性重力内波 209

7.8.7　大气中的声波 211

7.8.8　罗斯贝波 213

思考题 215

习题 216

参考文献 216

第三篇　大气边界层物理 220

第八章　大气湍流基础 220

8.1　大气湍流 220

8.1.1　湍流的基本特征 220

8.1.2　泰勒假设 222

8.2　湍流的定量描述 223

8.2.1　雷诺平均 223

8.2.2　湍流统计参数 225

8.2.3　湍流能谱 226

8.3　大气湍流控制方程 227

8.3.1　基本方程 228

8.3.2　雷诺平均方程 228

8.3.3　湍流通量和雷诺应力 231

8.3.4　湍流闭合及混合长理论 232

8.4　湍流运动能量方程和稳定性 233

8.4.1　湍流动能方程 233

8.4.2　湍流的稳定性判据 234

8.4.3　平均运动能量（MKE）方程 235

8.5　科尔莫戈罗夫的局地均匀各向同性湍流理论 236

第九章　大气边界层 239

9.1　大气边界层特征 239

9.1.1　大气边界层的基本特征 239

9.1.2　边界层中的风和气流 240

9.1.3　大气边界层的昼夜演变 241

9.1.4　大气边界层的结构 242

9.2　近地面层及其廓线规律 243

9.2.1　中性近地面层的风速廓线 243

9.2.2　近地面层的厚度 246

9.2.3　非中性层结的廓线规律和莫宁-奥布霍夫相似性理论 247

9.2.4　近地面层大气湍流统计量和谱的相似规律 250

9.2.5　下垫表面的热量平衡 253

9.3　中性大气边界层 256

9.3.1　埃克曼螺线 257

9.3.2　埃克曼抽吸 259

9.3.3　中性大气边界层的厚度 260

9.4　对流边界层（混合层） 262

9.4.1　对流边界层的基本结构 263

9.4.2　对流边界层发展的预测模式 265

9.5　稳定边界层 267

9.5.1　一般特征 267

9.5.2　稳定大气边界层的预测模式 268

9.5.3　低空急流 271

习题 272

第十章　非均—下垫面对边界层的影响 273

10.1 内边界层 273

10.1.1　动力内边界层 273

10.1.2　热内边界层 276

10.1.3　内边界层对扩散的影响 277

10.2　山谷风和海陆风 277

10.2.1　山谷风 278

10.2.2　海陆风 279

10.3　过山气流 281

10.3.1　中性层结条件下的过山气流 281

10.3.2　稳定层结条件下的过山气流 282

10.4　城市热岛 284

参考文献 285

第四篇　云和降水物理学基础与大气电学 290

第十一章　云雾形成的宏观条件及一般特征 290

11.1 云和降水的分类和生成条件 290

11.1.1　云和降水的分类 290

11.1.2　云雾生成的宏观条件 291

11.2　云雾降水的宏观特征 293

11.2.1　对流云宏观特征 293

11.2.2　局地强风暴天气系统 296

11.2.3　层状云宏观特性 298

11.2.4　卷云的宏观特征 298

11.2.5　降水的宏观特征 299

11.3　云雾降水的微观特征 299

11.3.1　描述方法与尺度分布特征 300

11.3.2　云雾滴谱分布 301

11.3.3　冰雪晶微观特征 304

11.3.4　降水粒子的谱分布 307

习题 309

第十二章 云雾降水形成的微物理过程 310

12.1　云粒子的均质核化 310

12.1.1　云滴均质核化和开尔文方程 310

12.1.2　核化率 312

12.1.3　冰相均质核化 313

12.2　云粒子的异质核化 315

12.2.1　不可溶性粒子的成核作用 315

12.2.2　可溶性粒子的成核作用 317

12.2.3　离子诱导核化 319

12.2.4　冰相的异质核化 319

12.3　大气凝结核和大气冰核 320

12.3.1　云凝结核 320

12.3.2　大气冰核 321

12.4　云滴的凝结增长 322

12.4.1　单滴的凝结增长 322

12.4.2　群滴的凝结增长 325

12.4.3　云滴的起伏凝结增长 327

12.5　冰晶的凝华增长 328

12.5.1　静稳条件下冰晶的凝华增长 328

12.5.2　混合云中冰晶的凝华增长 330

12.6　水成物粒子的降落和碰并 331

12.6.1　雨滴的降落、变形和破碎 331

12.6.2　水滴的下落末速度 332

12.6.3　冰雪晶下落末速度 334

12.6.4　粒子的碰并效率 336

12.7　云滴和雨滴的碰并增长 339

12.7.1　重力碰并增长的连续模式 339

12.7.2　随机碰并增长 341

12.7.3　起伏重力碰并增长 342

12.8　冰雪晶的碰并增长 343

12.9　层状云降水的形成 344

12.10　积状云降水的形成 346

12.11　冰雹的形成 347

12.11.1　冰雹的结构 347

12.11.2　冰雹生成的微物理过程 348

12.11.3　冰雹的形成机制 349

习题 352

第十三章　积云动力学及云模式简介 353

13.1　积云动力学方程组 353

13.1.1　积云动力学基本方程组 353

13.1.2　积云动力学方程组的另外形式 357

13.2　云雾数值模式 359

13.2.1　积云一维模式 360

13.2.2　多维模式简介 366

13.3　微物理过程的处理方法 369

第十四章　人工影响天气简介 372

14.1　人工影响云雾原理 372

14.2　人工降水催化剂 373

14.2.1　冷云催化剂 373

14.2.2　暖云催化剂 375

14.3　人工增雨催化作业 375

14.4　人工增雨效果检验 376

14.4.1　物理检验 376

14.4.2　统计检验 376

14.5　云模式在人工影响天气中的应用 377

14.5.1　探讨人工影响云雾的原理 377

14.5.2　指导人工影响云雾作业 379

14.6　其他人工影响天气试验 380

14.6.1　人工防雹 380

14.6.2　人工消雾 381

14.6.3　人工削弱台风 381

第十五章　大气电学 382

15.1　晴天大气电场 382

15.2　大气离子与电导率 384

15.2.1　大气离子的产生和复合 384

15.2.2　大气离子的物理特征 384

15.2.3　大气离子方程 386

15.2.4　晴天大气电导率 388

15.3.2　晴天大气电流 389

15.3.1　晴天大气体电荷 389

15.3　晴天大气的电荷与电流 389

15.4　云中大气电结构 390

15.4.1　云雾降水粒子的电荷 390

15.4.2　层状云大气电结构 392

15.4.3　积状云大气电结构 392

15.5　雷雨云的起电机制 394

15.5.1　感应起电机制 395

15.5.2　温差起电机制 397

15.5.3　其他起电机制 398

15.6　大气中的放电现象 399

15.6.1　尖端放电 399

15.6.2　闪电 400

15.6.3　大气静电场变化与云中电荷分布 405

15.6.4　天电 407

15.6.5　人工影响闪电 408

15.7　全球大气电过程 409

15.7.1　全球大气电学参量 410

15.7.2　地—气间的电荷输送及电荷平衡 411

15.7.3　全球大气电过程的球形电容器模型 411

习题 412

参考文献 412

第五篇　大气光学、GPS气象和大气声学 416

第十六章　散射的基本理论 416

16.1　散射 416

16.1.1　散射过程 416

16.1.2　多粒子散射 417

16.1.3　散射的几何图像与参数 418

16.2　瑞利分子散射 420

16.1.4　散射与削弱的基本关系式 420

16.3　均匀球状粒子的散射——米散射 423

16.3.1　球状粒子对电磁波的散射和吸收 424

16.3.2　米散射的特性 425

16.4　实际大气中的散射 429

16.4.1　分子大气的散射 429

16.4.2　气溶胶的散射 430

16.4.3　非球形粒子的散射 433

16.5　散射参量的观测 434

16.5.1　大气消光系数的测量 434

16.5.2　大气散射函数的测量 437

习题 438

17.1.1　方程的建立 439

第十七章　大气层的光学现象 439

17.1　辐射传输方程 439

17.1.2　辐射传输方程的解 440

17.1.3　蒙特卡罗（Monte Carlo）方法 441

17.2　天空亮度和色彩的分布 442

17.2.1　天空亮度的分布 442

17.2.2　天空散射光的偏振 444

17.2.3　天空的色彩 445

17.3　曙暮光 446

17.4　能见度问题 448

17.4.1　对比和对比感阈 449

17.4.2　对比度传输系数 450

17.4.3　气象能见距 451

17.4.4　从空中观测地面的能见度 452

17.4.5　夜间灯光能见度 454

17.5　云雾光学问题 455

17.5.1 云雾的含水量和消光系数的关系 455

17.5.2　云雾的散射函数和消光系数 456

17.5.3　华的现象 458

17.5.4　虹和霓 460

17.5.5　晕 462

习题 464

第十八章　光线在大气中的折射 465

18.1　大气的折射率 465

18.1.1　对流层空气的折射率 465

18.1.3　电离层中的折射率 467

18.1.2　大气折射率的测量 467

18.2　射线在大气中的折射 468

18.2.1　射线的轨迹方程——斯涅耳定律 468

18.2.2　射线的曲率半径 469

18.2.3　折射的分类 470

18.2.4　修正折射率及其模数 471

18.3　大气折射率对测量的影响 472

18.3.1　定位测量的误差 472

18.3.2　大气水平非均一对射线折射率的影响 473

18.4　天文折射和地文折射 474

18.4.1　天文折射现象 474

习题 476

18.4.2　地文折射现象 476

第十九章　GPS气象 477

19.1 GPS系统 477

19.2 GPS定位原理 477

19.3　大气对GPS观测的影响 478

19.4　地基GPS测量大气水汽原理 479

19.4.1 用双频法消除电离层影响 479

19.4.2　静力延迟 480

19.4.3　由湿延迟计算大气积分水汽含量 481

19.5　低轨卫星星载GPS接收机探测大气的温度廓线 482

第二十章　大气声学 485

20.1　一些基本概念和定义 486

20.2　均匀大气中理想气体小振幅绝热声波的声波方程 487

20.3.1　大气中的声速 488

20.3　大气中的声速 488

20.3.2　声速在大气中的垂直分布 489

20.4　研究声波传播的几何声学方法 489

20.4.1　几何声学的基本方程——埃克纳（Eikonal）方程 489

20.4.2　声线轨迹的斯涅耳定律 491

20.5　实际大气中的声线 493

20.5.1　无风时的声线轨迹 493

20.5.2　有风时的声线轨迹 494

20.6　声波在大气中的散射 495

20.6.1　声波在湍流大气中的传播方程 495

20.6.2　声波在静止湍流大气中的散射 497

20.6.3　考虑湿度起伏的声波散射 499

20.7　声波在大气中的衰减 499

20.7.1　大气分子对声波的吸收衰减 500

20.7.2　声波的发散衰减 502

20.7.3　大气对声波的逾量衰减 502

20.8　源于大自然的声波 504

20.8.1　天气现象产生的声波和次声波 504

20.8.2　其他来源的次声波 505

20.9　大气声遥感 506

20.9.1 大气边界层主动声遥感的物理和技术依据 506

20.9.2　声达资料揭示的大气现象 507

20.9.3　声的被动遥感 512

习题 514

参考文献 514

部分习题答案 517

附录 520