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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