大气物理:热力学与辐射基础

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。

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

第一章大气概况

地球大气是包围地球的空气的总称，它同阳光和水一样是地球上一切生命赖以生存的重要物质之一,与太阳系其他行星相比,地球大气的独特演变成就了生命的诞生和繁衍.本章将讲授地球大气的演变和组成,组分的定量表示方法,大气的状态变化以及地球大气与理想气体的差异，以期使读者对地球大气有一个初步定量的了解。

1.1行星大气和地球大气的演化

1.1.1行星大气

地球形成于距今约45亿年前,是太阳系形成后环绕太阳运转的天体不断捕获其他天体并增生形成的。地球表面最初也许具有与太阳组成一样的原始大气，即主要是以氢和氦为主的挥发性气体成分。

在早期地球增生过程中,熔融状态的含铁物质等因比重较大而不断向地心沉积,导致地球物质分布发生变化，地心处形成富含铁的地核,上部较轻的物质形成地幔，地幔表层冷却形成原始的地壳.同时,地表的挥发性气体逃逸散失到空间，取而代之的是地球内部放出的气态物质.至少在40亿年前,地球大气圈已是富含水汽、二氧化碳、氦气以及少量其他气体组成的第二代大气(或次生大气)，会产生降水、温室现象。

虽然类地行星(或带内行星)在形成和增生过程中,其大气经历相似的演化过程,但随着这些行星的演化，它们却拥有非常不同的现代大气现见表1.1).这种现代大气组成的差异,反映了原始大气中气体含量的差异，但主要归因于太阳系中不同行星大气的演化方式.当其他行星的大气经历异常突变的演化时,地球大气的演化却相对缓慢.水星大气完全散失，金星大气发展成失控的温室使得金星表面岩石被液化，火星大部分的气体散失到空间，地球则在约20亿年前,随着大气氧含量的增加，出现了具有氧化性质的第三代大气。

……

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。

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。