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