第1章 低层大气和中层大气的结构和成分 1
1.1 地球大气的进化 1
1.2 地球大气的成分 3
1.3 大气压 5
1.4 大气的热力结构 6
1.4.1 对流层 7
1.4.2 平流层 8
1.4.3 中间层 9
1.4.4 热层 9
1.4.5 外逸层 9
1.5 高层大气的结构 9
1.5.1 电离层 10
1.5.2 等离子层 11
1.5.3 磁层 11
1.6 对流层顶 12
1.6.1 热带对流层顶 13
1.6.2 对流层顶缩写 14
1.6.3 动力对流层顶 14
1.6.4 臭氧对流层顶 15
1.6.5 对流层顶折叠 15
1.6.6 对流层顶对对流层天气事件的重要性 17
1.7 低层大气和中层大气的气候状态 17
1.7.1 温度 17
1.7.2 风 18
1.7.3 日循环 19
1.7.4 全年振荡 20
1.7.5 准半年振荡 20
1.7.6 年际变化与季节内变化 21
1.7.7 急流 22
1.7.8 准两年振荡 22
1.7.9 平均经向风 24
1.7.10 纬向平均质量环流 25
1.7.11 极地涡旋 26
1.8 主要的平流层与对流层相互作用事件 27
1.8.1 极地平流层云 27
1.8.2 爆发性增温 28
1.8.3 北极涛动 29
1.8.4 北大西洋涛动 30
1.9 大气潮汐 30
1.10 对流层和平流层中主要的温室气体 30
1.10.1 平流层臭氧 30
1.10.2 二氧化碳 32
1.10.3 水汽 33
1.10.4 平流层水汽 34
1.11 上对流层和下平流层 34
1.12 气溶胶 36
1.12.1 水溶性气溶胶 37
1.12.2 气溶胶的滞留时间 37
1.12.3 对流层气溶胶 37
1.12.4 平流层气溶胶 38
思考题 38
参考文献 39
第2章 低层大气和中层大气中的辐射过程 43
2.1 引言 43
2.2 辐射的基本原理 43
2.2.1 电磁能 44
2.2.2 辐射能 45
2.2.3 光度测定和辐射测定 46
2.2.4 黑体辐射 47
2.2.5 大气散射 49
2.2.6 吸收和发射 50
2.2.7 反射和透射 51
2.2.8 亮温 52
2.2.9 太阳常数 52
2.2.1 0反照率 53
2.2.1 1温室效应 53
2.3 辐射传输 55
2.3.1 比尔定律 55
2.3.2 史瓦西定律 56
2.3.3 太阳辐射吸收和大气加热 56
2.3.4 辐射盈余与大气加热率 59
2.3.5 红外辐射加热与冷却 60
2.3.6 辐射吸收导致的加热 61
2.3.7 辐射加热的垂直廓线 61
2.4 太阳辐射和地球大气 62
2.4.1 太阳辐射的吸收 62
2.4.2 大气窗 65
2.4.3 平流层和对流层中太阳辐射的衰减 66
2.5 大气辐射过程 67
2.5.1 对流层中的辐射过程 68
2.5.2 平流层中的辐射过程 68
2.6 平流层冷却 69
2.6.1 平流层冷却的原因 69
2.6.2 平流层冷却率 71
2.6.3 其他影响 71
2.7 太阳活动对平流层和对流层大气的作用 72
思考题 75
参考文献 76
第3章 对流层和平流层的动力过程 79
3.1 引言 79
3.2 大气动力过程的基本量 79
3.2.1 状态方程 80
3.2.2 流体静力学方程 80
3.2.3 位势高度 81
3.2.4压高方程 82
3.3 守恒定律 82
3.3.1 运动方程（动量守恒） 82
3.3.2 连续方程（质量守恒） 84
3.3.3 能量守恒 86
3.4 干洁大气的热力过程 88
3.4.1 位势温度 88
3.4.2 大气稳定度 89
3.4.3 浮力频率 89
3.4.4 热力学能量方程 90
3.5 原始方程组 91
3.5.1 原始方程组的形式 91
3.5.2 水平运动方程的近似 92
3.6 风的平衡 92
3.6.1 地转风 92
3.6.2 地转偏差 93
3.6.3 梯度风 94
3.6.4 地转风和梯度风的联系 95
3.6.5 热成风 95
3.6.6 热成风的应用 96
3.6.7 正压大气和斜压大气 97
3.7 环量、涡度和散度 97
3.7.1 环量 97
3.7.2 涡度 98
3.7.3 相对涡度 98
3.7.4 自然坐标系下的涡度 98
3.7.5 行星涡度 99
3.7.6 绝对涡度 99
3.7.7 散度 99
3.8 保守量 100
3.8.1 位势涡度 100
3.8.2 厄特尔位势涡度 100
3.9 涡度方程 101
3.9.1 气压坐标系下的涡度方程 102
3.9.2 简化的涡度方程 102
3.9.3 准地转涡度方程 103
3.9.4 准地转位势涡度方程 103
3.10 中层大气中的平均经向环流 104
3.11 平均能量的年循环 108
思考题 109
参考文献 111
第4章 对流层和平流层的波动 112
4.1 引言 112
4.2 波动的定义 112
4.3 波动的基本属性 113
4.4 波动的分类 115
4.5 大气中的波动 115
4.5.1 声波 116
4.5.2 兰姆波 117
4.5.3 浅水重力波 117
4.5.4 罗斯贝波 123
4.6 大气重力波 127
4.6.1 纯重力内波 128
4.6.2 惯性重力波 132
4.6.3 波破碎 135
4.7 行星波强迫 136
4.8 赤道波动 138
4.8.1 开尔文波 139
4.8.2 混合罗斯贝重力波 141
4.9 大气波动的垂直传播 145
4.9.1 开尔文波的垂直传播 146
4.9.2 混合罗斯贝重力波的垂直传播 146
4.10 波动垂直传播的能量学 147
4.10.1 EP方法 147
4.10.2 查卓理论 150
4.10.3 林森理论 151
4.11 准两年振荡的机制 152
4.11.1 与太阳活动的联系 153
4.11.2 行星波强迫 153
4.11.3 行星波理论的局限性 154
4.12 平流层爆发性增温 154
4.12.1 平流层爆发性增温事件的演变 154
4.12.2 平流层增温理论 154
思考题 155
参考文献 156
第5章 对流层和平流层的化学过程 159
5.1 引言 159
5.2 吸收截面 160
5.3 化学反应动力学 160
5.3.1 一级反应 160
5.3.2 二级反应 161
5.3.3 三体反应 161
5.4 热解离反应 162
5.5 连续方程 162
5.6 臭氧光化学 162
5.7 Chapman循环的局限性 164
5.8 反应物和反应速率系数 165
5.9 臭氧光解 166
5.9.1 高度变化 166
5.9.2 纬度变化 166
5.9.3 季节变化 166
5.9.4 日变化 167
5.10 非均相反应 167
5.10.1 过氧化氯的臭氧损耗 169
5.10.2 氯和氮的活化和失活 170
5.11 催化损耗 171
5.11.1 氢的催化损耗 171
5.11.2 甲烷的光解反应 172
5.11.3 氢自由基的催化循环 173
5.11.4 氮自由基的催化循环 174
5.11.5 氮自由基催化反应随温度的变化 175
5.11.6 氯的源 177
5.11.7 氯自由基的催化反应 177
5.11.8 南极臭氧洞和氯自由基的催化反应 178
5.11.9 溴的源 179
5.11.10 溴自由基的催化反应 180
5.12 平流层颗粒物 181
5.12.1 硫酸盐气溶胶 181
5.12.2 极地平流层云的化学成分 181
5.13 对流层化学 182
5.13.1 对流层化学成分的源 182
5.13.2 对流层臭氧 183
5.13.3 对流层甲烷 183
5.14 大气化学和气候 184
5.15 大气化学领域的诺贝尔奖 188
思考题 189
参考文献 189
第6章 平流层臭氧损耗和南极臭氧洞 192
6.1 引言 192
6.2 影响平流层臭氧变率的因素 193
6.2.1 化学过程 193
6.2.2 动力过程 195
6.2.3 平流层温度 196
6.2.4 大气传输 197
6.2.5 太阳周期 197
6.2.6 火山爆发 198
6.2.7 气溶胶 199
6.2.8 燃烧对流 199
6.2.9 极涡 199
6.3 臭氧损耗基础 200
6.3.1 极地气象学的特殊性 200
6.3.2 化学过程导致的极地臭氧损耗 200
6.3.3 氯自由基的产生 201
6.4 人类活动对臭氧损耗的作用 201
6.4.1 氯化物 203
6.4.2 平流层中的氯氟烃 203
6.5 南极臭氧洞 203
6.5.1 南极臭氧洞的发现 205
6.5.2 臭氧洞理论 207
6.5.3 动力学理论 207
6.5.4 氮氧化物理论 208
6.5.5 非均相化学理论 208
6.6 南极涡旋 209
6.6.1 极地涡旋的环流场 209
6.6.2 极夜急流和极地涡旋 210
6.6.3 温度 211
6.6.4 南极冬季的低温 212
6.6.5 位势涡度 213
6.6.6 加热 214
6.6.7 输送 214
6.6.8 垂直运动和臭氧输送 215
6.6.9 极地涡旋中的化学反应 215
6.7 南极臭氧洞的结构与变化 216
6.7.1 水平结构 216
6.7.2 垂直结构 217
6.7.3 臭氧探空的垂直廓线 218
6.8 臭氧220 DU等值线 218
6.9 臭氧损耗强度 219
6.9.1 臭氧洞面积 220
6.9.2 臭氧总量最小值 220
6.9.3 臭氧质量赤字 220
6.10 南极臭氧的年循环 220
6.11 2002年南极臭氧洞异常 221
6.12 北极臭氧洞 223
6.13 蒙特利尔议定书 224
6.13.1 修正与调整 224
6.13.2 蒙特利尔议定书的影响 224
6.14 目前的臭氧损耗 225
6.15 未来的臭氧层 227
6.15.1 全球臭氧恢复的3个阶段 227
6.15.2 自然因素 227
思考题 228
参考文献 229
第7章 平流层和对流层的传输过程 233
7.1 引言 233
7.2 BD环流 233
7.2.1 热带平流层臭氧总量低值 235
7.2.2 热带的环流 235
7.2.3 臭氧输送 236
7.2.4 热带外的环流 236
7.2.5 氯氟烃的输送 237
7.2.6 BD环流的形成 237
7.2.7 BD环流和辐射平衡 239
7.2.8 BD环流的半球差异 239
7.3 大气波动和痕量气体的输送 239
7.3.1 波动的传播 240
7.3.2 波动的发展和耗散 241
7.3.3 波动导致的输送 241
7.3.4 波动导致的混合 241
7.3.5 波动对平均环流的影响 242
7.4 其他因素 242
7.5 准两年振荡和BD环流 242
7.5.1 准两年振荡环流 243
7.5.2 准两年振荡对臭氧输送的影响 244
7.6 对流层经圈环流 245
7.7 平流层和中间层平均经圈环流 245
7.8 平流层空气的年龄 246
思考题 247
参考文献 248
第8章 平流层和对流层的交换过程 250
8.1 引言 250
8.2 穿越对流层顶的输送 252
8.3 BD环流与平流层和对流层交换 254
8.3.1 热带上升流 254
8.3.2 热带对流层顶层的变化 255
8.3.3 穿越热带对流层顶层的交换 256
8.3.4 热带外对流层顶层的变化 256
8.4 中纬度对流层顶附近的交换过程 257
8.4.1 阻塞高压 257
8.4.2 切断低压 257
8.4.3 对流层顶折叠 258
8.5 热带对流层顶附近的交换过程 259
8.5.1 冻干过程 260
8.5.2 大气录音机 260
8.5.3 平流层喷泉 262
8.5.4 非绝热环流 263
8.5.5 热带对流层顶的热平衡 263
8.6 平流层下水道 263
8.7 交换的全球尺度动力特征：热带外抽吸 264
8.8 波驱动环流的数学表达 265
思考题 267
参考文献 267
第9章 平流层对对流层天气、气候的影响 269
9.1 引言 269
9.2 平流层与对流层相互作用的辐射强迫 270
9.3 波导致的相互作用 271
9.3.1 行星波 272
9.3.2 重力波 272
9.4 准两年振荡在耦合过程中的作用 273
9.4.1 准两年振荡对平流层和中间层的作用 274
9.4.2 准两年振荡对对流层的作用 275
9.4.3 平流层准两年振荡和对流层两年振荡 275
9.5 平流层爆发性增温与平流层和对流层相互作用的联系 276
9.6 平流层极涡和对流层天气 277
9.7 平流层与对流层耦合和向下传播 277
9.7.1 北极涛动对气候的影响 277
9.7.2 环状模 281
9.8 人类活动的作用 282
9.9 臭氧变化对地表气候的影响 283
9.10 平流层对自身变率的调制作用 286
9.11 季风对平流层和对流层相互作用的影响 287
9.12 热带对流和水汽强迫 290
9.13 对流层大气成分 291
9.14 热带的扩张 291
9.15 太阳活动对平流层与对流层耦合的强迫 293
9.16 平流层火山气溶胶 295
9.17 未来情景 296
思考题 297
参考文献 298
附录A名词缩写对照 304
附录B 符号列表 307
附录C物理常数表 311
答案节选 313