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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