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第1章　绪论1

1.1　研究内容及近期的主要进展1

1.2　相关概念及术语3

1.3　大气的基础知识6

1.3.1　光学特性6

1.3.2　大气质量7

1.3.3　大气化学成分8

1.3.4　大气的垂直结构9

1.3.5　风场13

1.3.6　降水20

1.4　第2章简介22

习题23

第2章　地球系统25

2.1　地球系统的成员25

2.1.1　海洋25

2.1.2　冰雪圈32

2.1.3　陆地生物圈36

2.1.4　地壳和地幔38

2.1.5　地球系统中各部分对气候的作用39

2.2　水循环40

2.3　碳循环42

2.3.1　大气中的碳44

2.3.2　生物圈中的碳44

2.3.3　海洋中的碳46

2.3.4　地壳中的碳47

2.4　地球系统中的氧48

2.4.1　氧的来源48

2.5　气候和地球系统的历史51

2.5.1　地球系统的形成和演变51

2.5.2　1亿年前54

2.5.3　100万年前55

2.5.4　2万年前58

2.6　地球：适合生物生存的星球59

习题61

第3章　大气热力学65

3.1　气体定律65

3.1.1　虚温68

3.2　流体静力学方程69

3.2.1　重力位势71

3.2.2　标高和测高方程72

3.2.3　等压面的厚度和高度73

3.2.4　海平面气压换算74

3.3　热力学第一定律75

3.3.1　焦耳定律76

3.3.2　比热78

3.3.3　焓79

3.4　绝热过程80

3.4.1　气块的概念80

3.4.2　干绝热温度递减率80

3.4.3　位温81

3.4.4　热力学图82

3.5　空气中的水汽83

3.5.1 湿度参数84

3.5.2　潜热88

3.5.3　饱和绝热和假绝热过程89

3.5.4　饱和绝热递减率89

3.5.5　相当位温和湿球位温90

3.5.6　诺曼德定律91

3.5.7　先上升后下沉的净效果91

3.6　静力稳定度93

3.6.1　未饱和空气93

3.6.2　饱和空气96

3.6.3　条件性不稳定和对流性不稳定97

3.7　热力学第二定律及熵98

3.7.1　卡诺循环99

3.7.2　熵101

3.7.3　克劳修斯-克拉珀龙方程103

3.7.4　热力学第二定律的一般化论述106

习题108

第4章　辐射传输120

4.1　辐射波谱120

4.2　辐射定量描述121

4.3　黑体辐射124

4.3.1　普朗克函数124

4.3.2　维恩位移定律125

4.3.3　斯蒂芬-玻耳兹曼定律125

4.3.4　实际物体的辐射特征127

4.3.5　基尔霍夫定律128

4.3.6　温室效应128

4.4　散射、吸收和发射的物理意义129

4.4.1　气体分子和粒子的散射作用130

4.4.2　粒子吸收作用133

4.4.3　气体分子的吸收和发射134

4.5　行星大气中的辐射传输137

4.5.1 比尔定律137

4.5.2　大气层的反射和吸收141

4.5.3　红外辐射的吸收和发射142

4.5.4　辐射加热率的垂直廓线145

4.5.5　卫星被动遥感147

4.6　大气顶部的辐射平衡151

习题152

第5章　大气化学159

5.1　对流层大气的组成159

5.2　微量气体的源、输送和汇163

5.2.1　源163

5.2.2　输送166

5.2.3　汇169

5.3　对流层中的一些重要的微（痕）量气体169

5.3.1　氢氧自由基169

5.3.2　部分活性氮化合物171

5.3.3　有机化合物172

5.3.4　一氧化碳172

5.3.5　臭氧172

5.3.6　氢化合物176

5.3.7　含硫气体176

5.4　对流层气溶胶177

5.4.1　源178

5.4.2　化学组成181

5.4.3　输送182

5.4.4　汇182

5.4.5　浓度和尺度分布183

5.4.6　停留时间185

5.5　空气污染185

5.5.1　污染源185

5.5.2　烟雾188

5.5.3　区域和全球污染190

5.6　对流层化学循环191

5.6.1　氮循环192

5.6.2　硫循环193

5.7　平流层化学194

5.7.1　未扰动的平流层臭氧194

5.7.2　人类活动对平流层臭氧的影响：臭氧洞200

5.7.3　平流层气溶胶、平流层中的硫206

习题209

第6章　云微物理学218

6.1　水汽的凝结核化218

6.1.1　凝结核化原理219

6.1.2　云凝结核223

6.2　暖云的微结构225

6.3　云液水含量及夹卷228

6.4　暖云中云滴的增长232

6.4.1　凝结增长232

6.4.2　碰并增长234

6.4.3　云滴凝结增长和碰并增长之间的过渡240

6.5　冷云微物理学244

6.5.1　冰质粒的核化；冰核244

6.5.2　云中的冰质粒浓度；冰晶繁生249

6.5.3　云中冰质粒的增长252

6.5.4　冷云中降水的形成258

6.5.5　固体降水的分类260

6.6　人工影响云和降水261

6.6.1　人工影响暖云262

6.6.2　人工影响冷云262

6.6.3　无意识人工影响266

6.7　雷暴与起电267

6.7.1　电荷的产生268

6.7.2　闪电和雷声270

6.7.3　全球电路272

6.8　云和降水化学276

6.8.1　总论276

6.8.2　质粒和气体的传输276

6.8.3　核化清除277

6.8.4　气体在云滴中的溶解277

6.8.5　液相化学反应278

6.8.6　降水清除279

6.8.7　降水中硫酸盐的来源279

6.8.8　雨水的化学组分279

6.8.9　由云生成的气溶胶279

习题281

第7章　大气动力学287

7.1　大尺度水平气流运动学287

7.1.1　气流的基本运动学特征287

7.1.2　涡度和散度288

7.1.3　形变290

7.1.4　流线与轨线291

7.2　水平流体动力学292

7.2.1　视示力292

7.2.2　真实力296

7.2.3　水平运动方程297

7.2.4　地转风297

7.2.5　摩擦效应298

7.2.6　梯度风299

7.2.7　热成风300

7.2.8　行星旋转下的垂直运动302

7.2.9　涡度守恒原理303

7.2.10　位涡305

7.3　原始方程307

7.3.1　气压垂直坐标307

7.3.2　静力平衡308

7.3.3　热力学能量方程308

7.3.4　垂直运动场的推导310

7.3.5　原始方程组的解312

7.3.6　原始方程组的一个应用313

7.4　大气环流315

7.4.1　动能循环316

7.4.2　大气热机318

7.5　数值天气预报318

习题321

第8章　天气系统330

8.1　温带气旋330

8.1.1　概述331

8.1.2　锋和地面天气335

8.1.3　垂直结构344

8.1.4　空气轨迹351

8.1.5　寻找完美风暴353

8.1.6　自上而下的影响355

8.1.7　潜热释放的影响356

8.2　地形作用357

8.2.1　背风坡锋生和背风坡槽357

8.2.2　罗斯贝波沿倾斜地形传播358

8.2.3　冷空气堆积359

8.2.4　地形引起的暴风359

8.2.5　地形对降水的影响361

8.3　深对流362

8.3.1　环境控制362

8.3.2　对流风暴的结构和演变366

8.3.3　与对流风暴有关的破坏性风374

8.3.4　中尺度对流系统381

8.4　热带气旋384

8.4.1　结构、热力学以及动力学384

8.4.2　生成和生命期386

8.4.3　风暴潮388

习题388

第9章　大气边界层391

9.1　湍流392

9.1.1　涡旋和热泡392

9.1.2　湍流的统计描述394

9.1.3　湍流动能和湍流强度396

9.1.4　湍流输送和通量397

9.1.5　湍流闭合399

9.1.6　湍流尺度和相似理论400

9.2　地表能量平衡402

9.2.1　辐射通量402

9.2.2　地表能量平衡402

9.2.3　整体空气动力学公式404

9.2.4　全球地表能量平衡407

9.3　垂直结构408

9.3.1　温度408

9.3.2　湿度409

9.3.3　风409

9.3.4　边界层结构的逐日变化和区域变化412

9.3.5　层结对湍流和稳定性的非局地影响413

9.4　演变415

9.4.1　夹卷415

9.4.2　边界层发展416

9.4.3　陆面云盖下边界层418

9.4.4　海洋边界层419

9.4.5　风暴天气422

9.5　特殊效应423

9.5.1　地形作用423

9.5.2　海陆风425

9.5.3　森林冠层效应427

9.5.4　城市效应428

9.6　进展中的边界层气象学429

习题430

第10章　气候动力学434

10.1　现代气候434

10.1.1　年平均状况434

10.1.2　与一天时间的依赖关系438

10.1.3　与季节依赖的关系438

10.2　气候变率443

10.2.1　内部产生的气候变率446

10.2.2　耦合气候变率448

10.2.3　外强迫气候变率457

10.3　气候的平衡、敏感性及反馈效应463

10.3.1　瞬变响应与平衡响应465

10.3.2　气候反馈效应466

10.4　温室效应470

10.4.1　温室气体的增长471

10.4.2　人为引起的温室增暖效应是否明显？476

10.4.3　未来人类活动引起的温室效应预估479

10.5　气候监测与预测480

习题481