大气辐射导论 第2版PDF格式文档图书下载

1用于大气的辐射基本知识 1

1.1概念、定义和单位 1

1.1.1电磁波频谱 1

1.1.2立体角 3

1.1.3基本辐射量 4

1.1.4散射和吸收的概念 6

1.2黑体辐射定律 9

1.2.1普朗克（Planck）定律 10

1.2.2斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 12

1.2.3维恩（Wien）位移定律 12

1.2.4基尔霍夫（Kirchhoff）定律 13

1.3吸收线的形成和谱线形状 14

1.3.1谱线形成 14

1.3.1.1玻尔（Bohr）模型 14

1.3.1.2振动跃迁和转动跃迁 16

1.3.2谱线增宽 21

1.3.2.1压致增宽 21

1.3.2.2多普勒增宽 23

1.3.2.3沃伊特（Voigt）廓线 24

1.3.3热力学平衡的崩溃 25

1.4辐射传输引论 27

1.4.1辐射传输方程 27

1.4.2比尔-布格-朗伯（BeerBouguer-Lambert）定律 28

1.4.3施瓦氏（Schwarzschild，施瓦兹希尔德）方程和它的解 29

1.4.4平面平行大气的辐射传输方程 31

1.4.5三维不均匀介质中的辐射传输方程 33

习题 34

推荐读物 37

2大气顶的太阳辐射 38

2.1作为能源的太阳 38

2.1.1太阳结构 40

2.1.2太阳表面的活动：太阳黑子 42

2.2地球绕太阳的轨道和太阳日射 45

2.2.1绕日轨道的几何形状 45

2.2.2太阳常数的定义 51

2.2.3日射的分布 52

2.3太阳光谱和太阳常数的测定 55

2.3.1太阳光谱 55

2.3.2太阳常数的测定：地基法 60

2.3.3太阳常数的卫星测量 63

习题 65

推荐读物 67

3太阳辐射在大气中的吸收和散射 68

3.1地球大气的成分和结构 68

3.1.1热力结构 68

3.1.2化学成分 70

3.2大气吸收 73

3.2.1紫外吸收 76

3.2.1.1氮分子的吸收 76

3.2.1.2氧分子的吸收 76

3.2.1.3臭氧的吸收 78

3.2.1.4其他微量气体的吸收 78

3.2.1.5太阳辐射的吸收 78

3.2.2光化学过程和臭氧层的形成 82

3.2.3在可见光区和近红外区的吸收 86

3.2.3.1分子氧和臭氧 86

3.2.3.2水汽 86

3.2.3.3二氧化碳 87

3.2.3.4其他微量气体 87

3.2.3.5直接太阳辐射通量在大气中的传输 89

3.3大气散射 91

3.3.1瑞利（Rayleigh）散射 91

3.3.1.1理论推导 91

3.3.1.2相函数、散射截面和极化率 93

3.3.1.3蓝色天空及天空偏振 97

3.3.2粒子的光散射：近似处理方法 99

3.3.2.1洛伦茨-米散射 100

3.3.2.2几何光学 102

3.3.2.3反常衍射理论 104

3.4行星大气中的多次散射和吸收 106

3.4.1辐射传输基础 106

3.4.2辐射传输的近似处理方法 108

3.4.2.1单散射近似 108

3.4.2.2漫射近似 109

3.5大气的太阳加热率 110

习题 114

推荐读物 118

4大气中的热红外辐射传输 120

4.1热红外光谱和温室效应 120

4.2大气中的吸收和发射 122

4.2.1热红外辐射的吸收 122

4.2.1.1水汽 122

4.2.1.2二氧化碳 123

4.2.1.3臭氧 124

4.2.1.4甲烷 125

4.2.1.5一氧化二氮 125

4.2.1.6氯氟碳化物 125

4.2.2热红外辐射传输的基础 126

4.2.3逐线积分 129

4.3红外辐射传输的相关k分布法 131

4.3.1基本知识 131

4.3.2对非均质大气的应用 133

4.3.3数值程序和相关结果 137

4.3.4谱线重叠的考虑 139

4.4带模式 141

4.4.1单谱线 142

4.4.2规则带模式 143

4.4.3统计带模式 145

4.4.4对非均质大气的应用 149

4.5通量计算的宽带方法 152

4.5.1宽带发射率 152

4.5.2牛顿冷却近似 155

4.6有云大气中的红外辐射传输 158

4.6.1基础知识 158

4.6.2云和地面间的红外辐射交换 160

4.6.3二流近似和四流近似 161

4.7大气红外冷却率 165

习题 170

推荐读物 173

5大气中粒子的光散射 174

5.1大气粒子的形态学 174

5.2球形粒子光散射的洛伦茨-米理论 181

5.2.1电磁波方程及其解 181

5.2.2形式散射解 187

5.2.3远场解和消光参数 191

5.2.4球形粒子的散射相矩阵 197

5.3几何光学 201

5.3.1衍射 202

5.3.2几何反射和折射 205

5.3.3几何光学、洛伦茨-米理论及其代表性结果 215

5.4冰晶的光散射——一种统一理论 221

5.4.1冰晶的几何光学 221

5.4.1.1常规方法 221

5.4.1.2改进的几何光学方法 223

5.4.1.3几何光学中的吸收效应 225

5.4.1.4光线追迹的蒙特卡罗方法 228

5.4.2有限差分时域方法简介 230

5.4.3非球形冰粒子的散射相矩阵 230

5.4.4冰晶光散射统一理论的表述 235

5.4.4.1统一理论的本质 235

5.4.4.2理论结果与测量结果的比较以及一些代表性计算结果 237

5.5非球形气溶胶的光散射 243

5.5.1有限差分时域方法 243

5.5.2T矩阵方法 252

5.5.3非球形气溶胶光散射测量中应注意的问题 256

习题 259

推荐读物 262

6行星大气的辐射传输原理 264

6.1引言 264

6.1.1辐射传输的研究简史 264

6.1.2平面平行条件下的基本方程组 265

6.2辐射传输的离散纵标法 268

6.2.1各向同性散射的通解 269

6.2.2对半无限各向同性散射大气的漫反射定律 272

6.2.3各向异性散射的通解 274

6.2.4在非均质大气中的应用 278

6.3不变性原理 281

6.3.1各种散射参数的定义 281

6.3.2对半无限大气的不变性原理 284

6.3.3对有限大气的不变性原理 288

6.3.4X函数和Y函数 293

6.3.5考虑表面反射 295

6.4辐射传输的累加法 298

6.4.1物理参数的定义 299

6.4.2累加方程 301

6.4.3累加法与不变性原理的等价性 304

6.4.4内［辐射］场向非均质大气的推广 306

6.4.5累加法和离散纵标法之间的相似性 308

6.5辐射传输的近似处理方法 311

6.5.1逐次散射近似 311

6.5.2二流近似和爱丁顿近似 313

6.5.3δ函数调整和相似性原理 320

6.5.4四流近似 323

6.6考虑偏振的辐射传输 327

6.6.1光束的表示法 327

6.6.2数字表达式 332

6.7辐射传输的最新课题 335

6.7.1水平取向的冰粒子 335

6.7.2三维非均质云 339

6.7.2.1蒙特卡罗方法 343

6.7.2.2逐次散射方法 344

6.7.2.3δ四项（漫射）近似 347

6.7.3球形大气 350

习题 354

推荐读物 357

7辐射传输原理对*感探测的应用 359

7.1引言 359

7.2利用透射的太阳光进行遥感 361

7.2.1气溶胶光学厚度和尺度分布的确定 362

7.2.1.1直接线性反演 366

7.2.1.2约束线性反演 368

7.2.2确定臭氧总量 369

7.2.3临边消光技术 370

7.3应用反射的太阳光进行遥感 372

7.3.1卫星-太阳几何学和理论基础 372

7.3.2臭氧的卫星遥感 377

7.3.3气溶胶的卫星遥感 378

7.3.4陆地表面的卫星遥感 379

7.3.5云的光学厚度和粒子尺度 381

7.3.5.1双向反射比 382

7.3.5.2偏振 388

7.3.5.3反射线谱 391

7.4利用发射的红外辐射进行遥感 394

7.4.1理论基础 394

7.4.2地球表面温度的确定 396

7.4.3温度廓线的遥感 398

7.4.3.1非线性迭代法 402

7.4.3.2最小方差法：混合反演 403

7.4.3.3云的去除 406

7.4.4水汽和痕量气体廓线的遥感 409

7.4.4.1由6.3μm振转带遥感水汽 409

7.4.4.2临边扫描技术 410

7.4.5云的红外遥感 413

7.4.5.1对云顶气压和发射率的二氧化碳切片技术 413

7.4.5.2云盖的发射辐射 415

7.4.5.3卷云光学厚度和温度的反演 418

7.4.5.4红外光谱中的信息含量 419

7.4.6红外冷却率和地表通量的遥感 420

7.5利用发射的微波辐射进行遥感 425

7.5.1微波波谱和微波辐射传输 425

7.5.2由微波发射辐射确定降雨率和水汽 429

7.5.3微波探测器的温度反演 433

7.6利用激光和微波能量进行遥感 437

7.6.1后向散射方程：理论基础 438

7.6.2激光雷达的差分吸收方法和退偏方法 441

7.6.2.1差分吸收方法 441

7.6.2.2退偏原理 442

7.6.3用于研究云的毫米波雷达 445

习题 447

推荐读物 453

8辐射与气候 454

8.1引言 454

8.2地气系统的辐射收支 455

8.2.1观测的意义 455

8.2.1.1基于辐射平衡的黑、白传感器 457

8.2.1.2扫描辐射仪和角模式 459

8.2.2从太空观测的辐射收支 460

8.2.3根据ERB资料推求云的辐射强迫 461

8.2.4大气的辐射加热率和冷却率 465

8.5.3太阳日射扰动 509

8.6全球气候模式中的辐射 511

8.6.1大气环流模拟引言 511

8.6.2全球气候模式中云的辐射强迫 516

8.6.2.1内辐射强迫 516

8.6.2.2温室增暖与云量反馈 517

8.6.2.3温室增暖和云的液态水和冰水含量反馈 520

8.2.5地表辐射收支 470

8.3辐射和对流大气 472

8.3.1辐射平衡 472

8.3.1.1全球模式 472

8.3.1.2垂直模式 473

8.3.2辐射和对流平衡 476

8.3.2.1地气系统的热量收支 476

8.3.2.2对流调整 478

8.4一维气候模式中的辐射 481

8.4.1二氧化碳温室效应 481

8.4.2臭氧和其他温室气体 484

8.4.2.1臭氧 484

8.4.2.2甲烷 485

8.4.2.3一氧化二氮 486

8.4.2.4卤烃 487

8.4.3辐射反馈的考虑 488

8.4.4气溶胶和辐射 489

8.4.5云的辐射强迫 492

8.4.5.1云的位置和云量 493

8.4.5.2云的微物理学 493

8.4.5.3气溶胶（或云）和降水 496

8.5能量平衡气候模式中的辐射 497

8.5.1大气和地表面的能量收支 498

8.5.1.1大气和海洋 498

8.5.1.2地表能量收支 501

8.5.2能量平衡气候模式中的辐射强迫 503

8.5.2.1线性增温法 504

8.5.2.2扩散法 507

8.6.2.4云粒子尺度反馈 522

8.6.3直接辐射强迫：气溶胶和凝结尾迹 522

8.6.3.1气溶胶 522

8.6.3.2凝结尾迹 524

8.6.4厄尔尼诺-南方涛动中的辐射 526

习题 528

推荐读物 533

附录A普朗克函数的推导 534

附录B薛定谔波动方程 536

附录C球面几何学 538

附录D复折射率、光的色散以及洛伦兹-洛伦茨公式 540

附录E勒让德多项式的性质和加法定理 544

附录F一些有用的常数 548

附录G标准大气廓线 549

附录H部分习题的答案 551

参考文献 557

索引 574

译后记 613

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