目录
第一章 大气概况
1.1 行星大气和地球大气的演化
1.2 现代大气的组成和表示方法
1.3 状态方程
1.4 大气与理想气体的差异
习题
第二章 大气静力平衡
2.1 流体静力学方程
2.2 等垂直减温率大气
2.3 标准大气
2.4 大气分层
习题
第三章 热力学基础
3.1 大气系统
3.2 态函数
3.3 理想气体的绝热过程
3.4 湿空气能量
习题
第四章 相态平衡
4.1 饱和水汽压
4.2 干空气对饱和水汽压的影响
4.3 球形液面的饱和水汽压
4.4 饱和状态变化和人体舒适度
习题
第五章 等压过程
5.1 等压冷却———露点和霜点
5.2 等压冷却凝结
5.3 等压绝热过程———湿球温度和相当温度
习题
第六章 干绝热过程
6.1 湿空气的干绝热过程
6.2 抬升达到饱和时的特征量
6.3 饱和成云 习题
第七章 湿绝热过程
7.1 湿绝热方程
7.2 湿绝热减温率
7.3 温湿参量
7.4 焚风现象
7.5 绝热过饱和变化
习题
第八章 混合过程
8.1 湿气块的等压绝热混合
8.2 混合成云
8.3 垂直混合
8.4 混合层特征及云的形成
习题
第九章 大气热力图
9.1 面积等价变换
9.2 热力图例
9.3 热力图的应用
习题
第十章 静力稳定度
10.1 气块运动
10.2 静力稳定度判据
10.3 条件性不稳定
10.4 薄层法
10.5 夹卷作用
10.6 整层大气静力稳定度
10.7 稳定度指数 习题
第十一章 辐射基本知识
11.1 基本物理量
11.2 辐射与物体
11.3 平衡辐射的基本定律
11.4 辐射场的热力学特性
11.5 太阳辐射与地球辐射
习题
第十二章 发射和吸收
12.1 大气对辐射吸收的物理过程
12.2 大气吸收光谱
12.3 辐射的吸收削弱
2.4 大气垂直方向上的吸收和发射
习题
第十三章 大气散射
13.1 散射过程
13.2 瑞利散射
13.3 均匀球状粒子的散射———米氏散射
13.4 非球形粒子的散射
习题
第十四章 太阳辐射
14.1 大气上界太阳光谱及太阳常数
14.2 大气上界的太阳辐射能
14.3 地气系统中太阳辐射的吸收和散射
14.4 太阳直接辐射的传输
习题 第十五章 地气系统长波辐射
15.1 辐射传输方程
15.2 辐射亮度的传输
15.3 辐射通量密度的传输
15.4 大气辐射光谱 习题
第十六章 散射辐射传输
16.1 包括散射时的辐射传输方程
16.2 包括单次散射时的辐射传输
16.3 散射相函数
16.4 包括多次散射时的辐射传输
习题
第十七章 辐射平衡
17.1 地气系统的辐射平衡
17.2 地气系统的净辐射
17.3 修正的温室效应模型
17.4 辐射平衡与盖娅假说
习题
第十八章 卫星遥感应用
18.1 气象卫星及仪器
18.2 辐射传输方程
18.3 参数反演
习题
附录 物理常数
主要参考书和文献
第二版前言
修订教材新增了7.5节“绝热过饱和变化”和第十八章“卫星遥感应用”.7.5节是基于第四章关于球形液滴成长过程的进一步补充.第十八章是辐射理论应用的内容,以期在学生学习完前面章节辐射及传输理论后,对实际应用的气象卫星遥感领域有个基本的了解.其他补充的内容还有:第七章中关于气层抬升时最大降水率的讨论、第九章在大气热力图应用中的诺曼德定理等.新增的图包括了第七章图7.5至图7.7、第十六章图16.2和第十八章图18.1至图
18.5.补充了部分习题、附录中的物理常数以及主要参考书和文献.在使用第一版教材近十年教学中,陆续发现的教材中的一些问题,都进行了修正,包括修
正了图9.12中露点变化的斜率、图11.10(a)的辐射亮度图改为辐射照度图和图15.1中左下方补充的一个光学厚度字母.
大气科学中,出于历史和习惯,实际工作中有的名词往往不止一种叫法,还经常用到英文略缩语表示法,本书叙述中不拘定在一种叫法或用法上,这样对读者进入实际工作是更为有益的.
感谢北京大学教务部、物理学院对本修订教材的支持.出版社编辑对教材逐字逐句一一校对,精益求精,编者深表谢意.
李万彪
2021年3月
第一版前言
早在二十多年前,作为学生,作者就在北京大学学习了大气物理学课程,使用的教材是北京大学大气物理教研室王永生等编著的《大气物理学》.多年以后,作为教师,作者在北京大学物理学院大气科学系讲授“大气物理学基础”课程,先后使用过的有这一本以及盛裴轩等编著的同名教材.
如今,《大气物理———热力学与辐射基础》在作者讲授“大气物理学基础”课程多次后,决定编写出版了.新教材以一学期教学内容为主,主要讲授大气静力学、大气热力学和大气辐射三部分内容.对于每一部分,编写内容尽量翔实,理论推导力求精确,课后习题不仅包括基础性的习题,也包括一些研究性质的习题.读者可以看到,新教材的章节分得更细,每章重点突出一个主题.
本书共分十七章.前两章是大气静力学部分,第三至十章是大气热力学部分,第十一至十七章是大气辐射部分.新教材的重点是大气热力学和大气辐射两部分,在开始讲授这两部分前,都首先对基础概念和理论进行介绍.大气热力学详细讨论了大气中水的相变、等压过程、干绝热过程、湿绝热过程、混合过程、热力图及其应用和静力稳定度等.大气辐射讨论了辐射与物质的相互作用、太阳辐射、长波辐射和包括散射时的辐射传输,最后是辐射平衡的讨论和观测结果.
大气物理学课程和教材传承了几代人不懈的努力探索和长期的积累,因此作者编写的这本书,实际上包含了前人的大量心血和劳动结晶.感谢第一本《大气物理学》教材编写组的王永生、秦瑜、刘式达、殷宗昭等教授,他们辛勤劳动编写的教材引导作者首次步入大气物理的殿堂.感谢第二本《大气物理学》教材编写组的盛裴轩、毛节泰、李建国、张霭琛、桑建国和潘乃先等教授,他们辛勤劳动编写的教材是作者任教以来传授学生知识的基石.新教材主要是以北京大学的这两本教材为参考书进行编写的.
新教材的编写得到了北京大学教务部、物理学院和“国家基础科学人才培养基金”(NFFTBS-J0630530)的支持,在此表示感谢.
李万彪
2010年1月
本书是为北京大学主干基础课(专业基础、必修课)“大气物理学基础”所编写的教材。与国内外同类教材相比,本教材的特点是:教材以一学期教学内容为主,主要涉及大气静力学、大气热力学和大气辐射学三部分内容。对于每一部分,编写内容尽量详实,理论推导力求精确;不仅包括基础性的习题,也包括一些研究性质的习题;每章重点突出一个主题。
北京大学物理学院大气与海洋科学系教授,多年从事大气学科教学与科研工作。主讲三门课程并完成三部教材;获2006年度教育部高等学校科技进步一等奖;曾担任北京大学大气与海洋科学系第一届系主任。
本书是作为大气物理学的基础教材编写的,是以后学习云物理学、卫星气象和遥感等课程的基础.
在介绍大气静力学的基础上,教材对大气热力学和大气辐射进行了较为详细的介绍和讨论.大气热力学详细讨论了大气中水的相变、等压过程、干绝热过程、湿绝热过程、混合过程、热力图及其应用和静力稳定度等.大气辐射讨论了辐射与物质的相互作用、太阳辐射、长波辐射、包括散射时的辐射传输和辐射平衡的观测讨论,最后是辐射及其传输过程的基本理论在气象卫星遥感反演中应用的介绍.
本书可作为高等院校大气科学学科本科生的专业课教材,也可供相关专业的本科生或研究生以及从事大气科学和大气环境工作的人员学习和参考.