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