大气辐射：含典型案例的入门教程 [Atmospheric Radiation A Primer With IIIustrative Solutions] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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Jim，Coakley，Ping，Yang 著，刘超，银燕 译

图书标签:

• 大气辐射
• 辐射传输
• 大气科学
• 气象学
• 物理学
• 环境科学
• 遥感
• 气候学
• 入门教程
• 典型案例

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040485011

版次：1

商品编码：12214251

包装：平装

丛书名： 全球变化与地球系统科学系列

外文名称：Atmospheric Radiation A Primer With IIIustrative Solutions

开本：16开

出版时间：2017-10-01

用纸：胶版纸

内容简介

　　大气辐射不仅是驱动地球天气、气候的能量源，更是气象探测和遥感的信息源，作为大气科学的基础内容，有广泛的研究和应用价值。
　　《大气辐射：含典型案例的入门教程》基于作者在美国多年讲授大气辐射课程的经验和相关科研成果，旨在为初学者提供一本通俗易懂的大气辐射教程，通过生动形象的推理和讲解，在尽量避免复杂数学公式的同时，全面地介绍辐射在大气中发射、散射和吸收的过程。
　　《大气辐射：含典型案例的入门教程》主要内容：
　　地球能量收支和气候变化
　　辐射和辐射源
　　地球大气中的辐射传输
　　辐射传输方程的解
　　大气分子吸收
　　地球大气和地表对太阳辐射的吸收
　　发射辐射的简化计算

作者简介

　　Jim Coakley，自1972年加入美国国家大气研究中心（NCAR）高等研究计划，开始从事大气科学研究。1988年加入美国俄勒冈州立大学，任地球海洋和大气科学学院荣誉教授。主要致力于气候变化问题的研究，尤其是气溶胶和云特性的卫星遥感以及它们对地球系统能量收支和气候的影响。
　　
　　Ping Yang，美国得克萨斯A&M;大学大气科学系系主任、教授，地球科学学院David Bullock Harris讲座教授.美国地球科学学会、美国气象学会、美国光学学会会士。主要从事云和气溶胶光学特性及辐射效应的理论研究.将这些粒子的辐射特性应用到了卷云、混合相态云以及大气气溶胶的卫星遥感和地基遥感研究中，并以此来评估粒子形状对云和沙尘的辐射特性以及对地球辐射收支系统的影响。
　　
　　刘超，南京信息工程大学大气物理学院教授、博士生导师，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室副主任。2013年取得美国得克萨斯A&M;大学博士学位，师从本书作者PingYang教授。主要研究方向为大气辐射传输、粒子散射、云和气溶胶的卫星遥感。于2017年荣获Elsevier出版社和Journal of Quantitative Spectroscopy and Rodiotive Transfer联合颁发的Peter C.WatermanAward，及中国气象学会颁发的第十七届涂长望青年气象科技奖。
　　
　　银燕，南京信息工程大学大气物理学院教授、博士生导师，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室主任。主要研究方向为云降水物理、气溶胶理化特性及其环境、气候效应。曾被评为江苏省“333高层次人才培养工程-首批中青年科技领军人才，并获得江苏省”六大人才高峰“计划资助。荣获”江苏省教学名师“称号和江苏省五一劳动奖章。

内页插图

目录

前言
参考文献

第1章 地球能量收支和气候变化
1．1 引言
1．2 大气的辐射加热
1．3 全球能量收支
1．4 灰窗近似和温室效应
1．5 气候敏感度和气候反馈
1．6 辐射时间常数
1．7 地球大气成分
1．8 辐射与地球平均温度廓线
1．9 辐射加热的空间分布与环流
1．10 小结和展望
习题
参考文献

第2章 辐射和辐射源
2．1 光的电磁波属性
2．2 振荡偶极子的辐射、辐亮度和辐射通量密度
2．3 辐射计
2．4 黑体辐射：光的量子属性
2．5 入射太阳辐射
习题
参考文献

第3章 地球大气中的辐射传输
3．1 消光截面
3．2 散射截面和散射相函数
3．3 光散射基本原理
3．4 辐射传输方程
3．5 太阳和地球辐射的辐射传输方程
习题
参考文献

第4章 辐射传输方程的解
4．1 引言
4．2 辐射传输方程的形式解
4．3 热辐射的解
4．4 红外辐射通量密度与加热率
4．5 散射和吸收的形式解
4．6 单次散射近似
4．7 辐射传输方程的傅里叶分解
4．8 勒让德级数表征和爱丁顿近似
4．9 在爱丁顿近似中增加大气层
4．10 在爱丁顿近似中加入反照率非零的表面
4．11 红外辐射中的云
4．12 直接辐射和漫射辐射的分离（选读）
4．13 在爱丁顿近似和二流近似中分离漫射辐射和直接辐射（选读）
4．146 爱丁顿近似（选读）
4．15 离散纵标法和DISORT（选读）
4．16 累加一倍加法（选读）
4．17 蒙特卡罗模拟（选读）
习题
参考文献

第5章 大气分子吸收
5．1 光谱平均透过率
5．2 分子吸收谱
5．3 转振带内吸收线的位置和强度
5．4 吸收线的线形
5．5 多普勒增宽和沃伊特线形
5．6 单条弱吸收线的平均吸收率
5．7 单条压强增宽强吸收线的平均吸收率
5．8 非均匀路径大气的吸收
5．9 无重叠吸收线的带平均透过率
5．10 含重叠吸收线平均透过率的近似计算
5．11 指数和拟合法及相关k分布法
5．12 分子重叠吸收带的处理
习题
参考文献

第6章 地球大气和地表对太阳辐射的吸收
6．1 引言
6．2 对紫外线和可见光的吸收
6．3 水汽对太阳辐射的吸收
习题
参考文献

第7章 发射辐射的简化计算
7．1 引言
7．2 CO2在15μm吸收带的发射
7．3 CO2加倍对发射辐射通量密度的影响
7．4 CO2浓度加倍引起平流层发射辐射和温度的变化
7．5 后续工作
习题

参考文献

附录A 物理学及地理学常数
附录B 微分方程的求解
B．1 简单积分
B．2 积分因子
B．3 二阶微分方程

附录C 普朗克函数的积分
附录D CO2红外吸收带吸收线参数的随机模型汇总
参考文献
附录E O2在紫外到可见光波段的吸收截面
参考文献
索引

前言/序言

　　本书作为一本关于大气辐射的入门教程，主要介绍行星大气中的辐射传输，并特别关注地球大气、地球能量收支和辐射在气候敏感度及气候变化中的作用。本书内容适于大气科学专业低年级研究生及物理学高年级本科生参考，要求读者掌握大学物理、微积分及线性微分方程求解方法等基础知识。
　　本书的主要目的是为学生提供一些相对简单且以物理概念为基础的方法，用于计算地表和大气层顶的辐亮度、辐射通量以及大气中的辐射加热率。为了达到这一目的，本书参考了Rodgers和Walshaw的A Treatment of Infrared Radiative Transfer in the Atmosphere，以及Lacis和Hansen的A Treatment of the Transfer of Solar Radiation两部经典著作。虽然目前有很多更先进的方法被用于解决这些问题，但本书介绍的一些经典方法已经包含了问题所涉及的最基本的物理过程。“现代”和“经典”方法的区别在于处理散射、吸收和发射的细节，以及数值求解辐射传输方程的精度。
　　本书展示的内容意在帮助学生熟悉一些相对简单的技术方法，并以此增强他们对散射、吸收和发射效应的理解。其次，希望帮助学生认识地球气候对看似微乎其微的辐射收支扰动的敏感性。第三个目的是锻炼学生的分析能力。书中大部分问题通过解析方法处理，通过简明的叙述而避免使用大型计算机程序。重点是培养学生的理解能力，以及对问题进行分析操作的能力，而不是依赖计算机做练习。
　　在每章的最后，都提出一些有趣且有指导性的习题，可以帮助学生更加深入地理解本章及前面章节的内容。这些习题中有的相当简单，但是对学生理解相关知识很有帮助；有的习题则对学生具有一定的挑战性。习题通常按照从易到难的顺序排列。有些习题需要使用简单的数值计算，利用数据表或通用的交互式计算机分析软件程序来解答。这些涉及数值计算的练习可帮助学生建立关于各种物理过程中数量级的概念。
　　本书以在美国俄勒冈州立大学（Oregon State University）讲授20多年的大气辐射课程的“课堂笔记”为基础发展而来。在过去的这些年里，我们逐渐调整该笔记以适应学生的要求和10周为一个教学周期的时间限制。本书并不是作为参考书使用的，因为已经存在大量优秀的关于大气辐射的参考书‘3-8]。但是普遍认为，使用这些参考书来进行入门性大气辐射课程的教学难度很大。授课者只能选择介绍书中的部分内容，在学生看来这些主题更像书中不同部分的随机组合。由于授课时间的限制，书中的很多部分无法在授课中涉及。除此之外，对学生来说一些参考书阅读起来也会有一定难度，有些甚至需要读者具有远远高出大气科学专业低年级研究生或物理学专业高年级本科生应该具备的数理知识和能力。公平地说，大气辐射对于首次接触者往往具有特殊的挑战性。初学者常常会为天顶角、相对方位角、立体角、辐亮度和辐照度等大量抽象概念而感到困惑。本书的主旨是帮助大气辐射的初学者扫除这些与辐射传输相关的疑惑，使读者更好地理解课程中涉及辐射传输的复杂的几何关系、陌生的参数、难懂的术语和单位等问题。
　　与此同时，本书还可以扩展到辐射对光化学反应、大气光学以及遥感等应用问题。另外，本书仅限于平面一平行辐射传输。我们回避了云中液态水或冰晶的空间变化对遥感的影响，也回避了云或云周边显现的三维辐射效应。即使不涉及这些内容，在一个季度短短10周为一个学期的教学周期中包含现有的基本知识已感到时间紧张，更别说大气辐射的潜在应用和三维辐射传输效应等问题了。

气象物理学导论：云、降水与大气动力学基础 作者：[虚构作者姓名] 出版社：[虚构出版社名称] ISBN：[虚构ISBN] --- 图书简介 本书旨在为气象学、大气科学、环境工程以及相关物理学领域的初学者和进阶学习者提供一个全面而深入的入门教程，重点聚焦于大气中复杂的物理过程，特别是云的形成、降水的机制，以及驱动天气系统的基本大气动力学原理。本书的叙述风格力求清晰、逻辑严谨，通过引入核心的物理概念、建立数学模型，并辅以详实的实例分析，帮助读者建立起对天气现象背后驱动力的深刻理解。 一、 结构与核心内容 本书分为三大主要部分，层层递进，构建起一个完整的气象物理学知识体系： 第一部分：云的物理学——微观过程与宏观形态 本部分深入探讨了水汽在对流层中的相变过程，这是理解云和降水形成的基础。我们首先回顾了热力学基础，包括等压凝结、绝热过程和水汽凝结方程，为后续的云物理学奠定理论基石。 水汽、凝结与饱和： 详细解析了饱和的概念，以及影响水汽平衡的温度和压力效应。重点讨论了开尔文方程（Kelvin equation）在描述液滴的弯曲表面对饱和水汽压影响上的应用，以及吉布斯-汤普森效应（Gibbs-Thomson effect）在云滴形成初始阶段的关键作用。 云凝结核（CCN）： 引入了大气中悬浮颗粒物——云凝结核的重要性。通过分析不同类型的CCN（如海盐、矿物粉尘、硫酸盐等）的溶解性和吸湿性，阐释了它们如何降低水汽的实际饱和度要求，从而促进云滴的形成。我们详细介绍了 Köhler 理论，用以量化在给定颗粒物半径和溶质含量下，水滴保持平衡或增长所需的相对湿度阈值。 云滴谱演化： 探讨了云滴从微米级增长到雨滴所需经历的关键过程。重点分析了碰撞-聚并过程（Collision-Coalescence），尤其是对于暖雨（温度高于冰点）的形成机制。通过建立液相微物理参数化方案，模拟不同湍流环境下液滴间的碰撞效率与增长速率。 第二部分：降水物理学——从水滴到天气 在理解了云滴的形成后，本部分转向研究如何将这些微小的水滴转化为具有实际意义的降水。 冰相过程与冷云降水： 详细剖析了冰晶在混合相云（同时存在过冷水和冰晶）中的核心作用。对拜格隆过程（Bergeron-Findeisen Process）进行了深入阐述，解释了冰晶如何通过蒸发和沉积，从周围的水汽中获取物质，从而加速自身的增长，并成为主要的降水粒子来源。 雪花生长与溶解： 分析了雪花的形态发生学（Ice Crystal Habits）与温度、湿度的关系，以及雪片在下降过程中经历的熔化和碎裂过程。引入了降水粒子谱模型（如 Marshall-Palmer 分布）来描述不同类型降水（雨、雪、霰）的粒径分布特征及其对雷达反射率的影响。 降水测量与参数化： 介绍了气象雷达（尤其是双偏振雷达）测量降水率、粒子大小和相态的基本原理，并讨论了在数值天气预报模型中，如何通过参数化方案来估算云微物理过程对能量和水分的贡献。 第三部分：大气动力学基础——驱动天气系统的能量 本部分将焦点从微观的粒子过程转移到宏观尺度的气流运动，为理解天气系统（如气旋、反气旋和锋面）的产生和演化提供必要的动力学工具。 流体力学基础与宏观守恒定律： 回顾了连续性方程、动量方程（牛顿第二定律在旋转参考系中的应用）和热力学第一定律在气象学中的具体形式，即原始方程组（Primitive Equations）的建立过程。 地转平衡与梯度风平衡： 详细推导了地转风（Geostrophic Wind）和梯度风（Gradient Wind）的概念，解释了在不同尺度天气系统中，压力梯度力、科里奥利力和离心力之间的平衡关系，以及这种平衡如何决定了等压线的弯曲程度和风速的大小。 大规模环流与稳定性分析： 引入了垂直运动的关键概念，包括气团的浮力（对流可用位能 CAPE）和大气稳定度指标（如假相当位温 $ heta_{se}$）。通过分析倾斜位涡（Potential Vorticity, PV）的输送和折叠，解释了中尺度涡旋的生成机制以及切变线上的天气发展。 涡度与环流的维持： 深入探讨了涡度的概念及其在描述大气旋转运动中的核心地位。阐述了绝对涡度守恒原理在理想化模式中的应用，并分析了地球科里奥利力对大尺度气旋和反气旋的动力学影响。 二、 本书的特色与优势 本书的独特之处在于，它不仅提供了严格的理论推导，更注重将理论与实际观测现象紧密结合。 1. 深度融合理论与应用： 在讨论云滴增长时，我们不仅展示了 Köhler 曲线的数学形式，还会结合实例分析特定污染环境下云的形成阈值。在动力学部分，我们通过分析真实的中纬度气旋的垂直环流结构图，直观展示了 PV 脊和 PV 槽如何引导地表天气系统的爆发。 2. 清晰的数学推导： 每引入一个关键概念，如阿尔文波或地转平衡，都提供了清晰的数学步骤，帮助读者理解公式背后的物理意义，而非仅仅记忆结果。 3. 结构化学习路径： 本书的章节设计遵循了从微观（粒子物理）到宏观（系统动力学）的自然逻辑，确保初学者能循序渐进地掌握复杂的跨学科知识。 三、 目标读者 本书非常适合以下读者群： 气象学专业本科生和研究生： 作为专业课程“云物理学”、“大气热力学”和“动力气象学”的优秀教材或参考书。 环境科学家与工程师： 需要理解大气污染物传输、雾霾形成和区域降水变化机制的专业人士。 遥感与地球物理研究者： 需要深入理解大气介质特性，以便更准确地解释卫星和雷达遥感数据的科研人员。 通过阅读本书，读者将不仅掌握描述大气现象所需的关键物理方程，更能培养起一种将日常所见的天气现象分解为基本物理过程的能力。本书是通往复杂气象学前沿研究的一把坚实钥匙。 --- 总字数统计：约 1520 字。

评分☆☆☆☆☆

总而言之，这本书给我的感觉是既有学术的严谨性，又不失教育的温度。它没有试图用过于专业的术语让读者望而却步，而是以一种循序渐进、引导发现的方式，带领读者一步步走进大气辐射的奇妙世界。我从中不仅获得了知识，更重要的是培养了对这个领域的兴趣和进一步探索的动力。这本书绝对是想要了解大气辐射，或者在相关领域需要补充知识的读者们的绝佳选择。

评分☆☆☆☆☆

迫不及待地翻开书页，首先映入眼帘的是清晰的排版和恰到好处的留白。纸张的质感也相当不错，触感温润，不会有廉价的粗糙感。作者在开头部分就用了相当篇幅来铺垫大气辐射的宏观概念，从太阳的能量来源，到地球大气层的结构，再到能量如何在大气中传播和转化，娓娓道来，引人入胜。我特别欣赏作者在介绍一些基础概念时，并非直接给出枯燥的定义，而是通过生动的比喻和类比来帮助读者理解，比如将大气层比作一个巨大的温室，将辐射比作阳光的抚摸。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计给我留下了深刻的第一印象。深邃的蓝色背景，点缀着抽象的能量流线条，仿佛预示着我们将要踏上一段探索宇宙能量奥秘的旅程。书名“大气辐射”几个字以一种沉稳而又不失科技感的字体呈现，下方辅以小字“含典型案例的入门教程”，更是让人对内容的实用性充满了期待。我尤其喜欢封面上那种淡淡的荧光效果，在光线下会反射出微妙的光泽，仿佛是大气层中那些不易察觉的辐射粒子在低语。

评分☆☆☆☆☆

随着阅读的深入，我被书中案例的丰富性和代表性所吸引。书中的案例并非是那种高高在上的理论推导，而是紧密联系实际，涵盖了从我们日常生活中感受到的日照强度变化，到更复杂的遥感监测、气候模型构建等领域。例如，书中关于不同天气条件下太阳辐射穿透率的分析，就非常直观地解释了为什么阴雨天会感觉更凉爽，而晴朗无云的日子则热浪滚滚。这种贴近生活的案例，让我觉得学习大气辐射不再是抽象的科学知识，而是与我们生活息息相关的存在。

评分☆☆☆☆☆

不得不提的是，这本书在讲解复杂理论时，并没有回避数学公式，但却做到了“以人为本”。作者善于在引入公式之前，先用通俗易懂的语言解释其物理意义，并在公式推导过程中插入详细的步骤和解释，确保读者即使数学基础稍有薄弱，也能跟上思路。书中出现的图表和插图也极具匠心，它们不仅是对文字内容的有力补充，更是帮助理解抽象概念的“可视化助手”。那些精心绘制的能量传输示意图，让我对辐射的吸收、散射和传输过程有了更清晰的认识。