《大氣物理:熱力學(xué)與輻射基礎(chǔ)》是作為大氣物理學(xué)的基礎(chǔ)教材編寫(xiě)的,是以后學(xué)習(xí)云物理學(xué)、衛(wèi)星氣象和遙感等課程的基礎(chǔ)。在介紹大氣靜力學(xué)的基礎(chǔ)上,教材對(duì)大氣熱力學(xué)和大氣輻射進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹和討論。大氣熱力學(xué)詳細(xì)討論了大氣中水的相變、等壓過(guò)程、干絕熱過(guò)程、濕絕熱過(guò)程、混合過(guò)程、熱力圖及其應(yīng)用和靜力穩(wěn)定度等。大氣輻射討論了輻射與物質(zhì)的相互作用、太陽(yáng)輻射、長(zhǎng)波輻射和包括散射時(shí)的輻射傳輸,最后是輻射平衡的討論和觀測(cè)結(jié)果!洞髿馕锢恚簾崃W(xué)與輻射基礎(chǔ)》可作為高等院校大氣科學(xué)學(xué)科本科生的專業(yè)課教材,也可供相關(guān)專業(yè)的本科生或研究生以及從事大氣科學(xué)和大氣環(huán)境工作的人員學(xué)習(xí)和參考。
早在二十多年前,作為學(xué)生,作者就在北京大學(xué)學(xué)習(xí)了大氣物理學(xué)課程,使用的教材是北京大學(xué)大氣物理教研室王永生等編著的《大氣物理學(xué)》。多年以后,作為教師,作者在北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系講授“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”課程,先后使用過(guò)的有這一本以及盛裴軒等編著的同名教材。
如今,《大氣物理——熱力學(xué)與輻射基礎(chǔ)》在作者講授“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”課程多次后,決定編寫(xiě)出版了。新教材以一學(xué)期教學(xué)內(nèi)容為主,主要講授大氣靜力學(xué)、大氣熱力學(xué)和大氣輻射三部分內(nèi)容。對(duì)于每一部分,編寫(xiě)內(nèi)容盡量翔實(shí),理論推導(dǎo)力求精確,課后習(xí)題不僅包括基礎(chǔ)性的習(xí)題,也包括一些研究性質(zhì)的習(xí)題。讀者可以看到,新教材的章節(jié)分得更細(xì),每章重點(diǎn)突出一個(gè)主題。
本書(shū)共分十七章。前兩章是大氣靜力學(xué)部分,第三至十章是大氣熱力學(xué)部分,第十一至十七章是大氣輻射部分。新教材的重點(diǎn)是大氣熱力學(xué)和大氣輻射兩部分,在開(kāi)始講授這兩部分前,都首先對(duì)基礎(chǔ)概念和理論進(jìn)行介紹。大氣熱力學(xué)詳細(xì)討論了大氣中水的相變、等壓過(guò)程、干絕熱過(guò)程、濕絕熱過(guò)程、混合過(guò)程、熱力圖及其應(yīng)用和靜力穩(wěn)定度等。大氣輻射討論了輻射與物質(zhì)的相互作用、太陽(yáng)輻射、長(zhǎng)波輻射和包括散射時(shí)的輻射傳輸,最后是輻射平衡的討論和觀測(cè)結(jié)果。
大氣物理學(xué)課程和教材傳承了幾代人不懈的努力探索和長(zhǎng)期的積累,因此作者編寫(xiě)的這本書(shū),實(shí)際上包含了前人的大量心血和勞動(dòng)結(jié)晶。感謝第一本《大氣物理學(xué)》教材編寫(xiě)組的王永生、秦瑜、劉式達(dá)、殷宗昭等教授,他們辛勤勞動(dòng)編寫(xiě)的教材引導(dǎo)作者首次步人大氣物理的殿堂。感謝第二本《大氣物理學(xué)》教材編寫(xiě)組的盛裴軒、毛節(jié)泰、李建國(guó)、張靄琛、桑建國(guó)和潘乃先等教授,他們辛勤勞動(dòng)編寫(xiě)的教材是作者任教以來(lái)傳授學(xué)生知識(shí)的基石。新教材主要是以北京大學(xué)的這兩本教材為參考書(shū)進(jìn)行編寫(xiě)的。
第一章 大氣概況
1.1 行星大氣和地球大氣的演化
1.1.1 行星大氣
1.1.2 地球大氣演化過(guò)程
1.1.3 蓋婭假說(shuō)與大氣演化
1.2 現(xiàn)代大氣的組成和表示方法
1.2.1 現(xiàn)代大氣組成
1.2.2 大氣成分的度量
1.2.3 水汽量
1.3 狀態(tài)方程
1.3.1 干空氣的狀態(tài)方程
1.3.2 濕空氣的狀態(tài)方程
1.4 大氣與理想氣體的差異
習(xí)題
第二章 大氣靜力平衡
2.1 流體靜力學(xué)方程
2.1.1 重力位勢(shì)和位勢(shì)高度
2.1.2 流體靜力平衡
2.1.3 測(cè)高方程
2.2 等垂直減溫率大氣
2.2.1 一般模式:多元大氣
2.2.2 均質(zhì)大氣
2.2.3 干絕熱大氣
2.2.4 等溫大氣和大氣標(biāo)高
2.2.5 逆溫層
2.3 標(biāo)準(zhǔn)大氣
2.4 大氣分層
2.4.1 按熱力結(jié)構(gòu)分層
2.4.2 逸散層
2.4.3 按大氣成分特性分層
習(xí)題
第三章 熱力學(xué)基礎(chǔ)
3.1大 氣系統(tǒng)
3.1.1 系統(tǒng)
3.1.2 氣塊假設(shè)
3.2 態(tài)函數(shù)
3.2.1 內(nèi)能與熱力學(xué)第一定律
3.2.2 焓與相變潛熱
3.2.3 熵與熱力學(xué)第二定律
3.3 理想氣體的絕熱過(guò)程
3.3.1 位溫
3.3.2 干絕熱減溫率
3.3.3 大氣熵最大時(shí)的溫度分布
3.4 濕空氣能量
3.4.1 濕空氣熱容量
3.4.2 大氣能量
習(xí)題
第四章 相態(tài)平衡
4.1 飽和水汽壓
4.1.1 自由能與克勞修斯一克拉貝龍方程
4.1.2 飽和水汽壓的理論表達(dá)式
4.1.3 相態(tài)平衡曲線
4.2 干空氣對(duì)飽和水汽的影響
4.2.1 大氣壓對(duì)飽和水汽壓的影響
4.2.2 干空氣溶入水對(duì)飽和水汽壓的影響
4.2.3 總體效應(yīng)
4.3 球形液面的飽和水汽壓
4.3.1 球形純液滴的飽和水汽壓
4.3.2 溶液滴的平衡水汽壓
4.3.3 寇拉曲線
4.4 飽和狀態(tài)變化和人體舒適度
4.4.1 沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系
4.4.2 熔點(diǎn)與氣壓的關(guān)系
4.4.3 接近飽和時(shí)人體舒適度
習(xí)題
第五章 等壓過(guò)程
5.1 等壓冷卻——露點(diǎn)和霜點(diǎn)
5.1.1 露和霜的形成過(guò)程
5.1.2 溫度露點(diǎn)(霜點(diǎn))差與相對(duì)濕度的關(guān)系
5.1.3 露點(diǎn)和霜點(diǎn)的關(guān)系
5.2 等壓冷卻凝結(jié)
5.2.1 一般方程
5.2.2 飽和水汽壓變化和凝結(jié)液態(tài)水的估計(jì)
5.3 等壓絕熱過(guò)程——濕球溫度和相當(dāng)溫度
5.3.1 等壓濕球溫度
5.3.2 等壓相當(dāng)溫度
5.3.3 干濕表方程
習(xí)題
第六章 干絕熱過(guò)程
6.1 濕空氣的干絕熱過(guò)程
6.1.1 濕空氣的泊松方程
6.1.2 干絕熱減溫率
6.1.3 露點(diǎn)減溫率
6.1.4 位溫
6.2 抬升達(dá)到飽和時(shí)的特征量
6.2.1 抬升凝結(jié)高度的估計(jì)
6.2.2 飽和溫度的估計(jì)
6.3 飽和成云
習(xí)題
第七章 濕絕熱過(guò)程
7.1 濕絕熱方程
7.1.1 飽和氣塊的熵
7.1.2 可逆飽和絕熱過(guò)程
7.1.3 假絕熱過(guò)程
7.2 濕絕熱減溫率
7.3 溫濕參量
7.3.1 相當(dāng)位溫
7.3.2 假濕球位溫和假濕球溫度
7.3.3 假相當(dāng)位溫和假相當(dāng)溫度
7.4 焚風(fēng)現(xiàn)象
7.4.1 焚風(fēng)成因
7.4.2 理論計(jì)算
習(xí)題
第八章 混合過(guò)程
8.1 濕氣塊的等壓絕熱混合
8.2 混合成云
8.2.1 等壓絕熱混合后的凝結(jié)
8.2.2 凝結(jié)尾跡
8.3 垂直混合
8.4 混合層特征及云的形成
8.4.1 混合層的溫度和濕度
8.4.2 垂直混合成云
習(xí)題
第九章 大氣熱力圖
9.1 面積等價(jià)變換
9.2 熱力圖例
9.2.1 溫熵圖
9.2.2 溫度對(duì)數(shù)壓力圖
9.3 熱力圖的應(yīng)用
9.3.1 層結(jié)和路徑曲線的繪制
9.3.2 溫濕參量的確定
9.3.3 氣層平均溫度和等壓面厚度
9.3.4 逆溫層結(jié)的特征
9.3.5 混合凝結(jié)高度
習(xí)題
第十章 靜力穩(wěn)定度
10.1 氣塊運(yùn)動(dòng)
10.1.1 一般運(yùn)動(dòng)方程
10.1.2 氣塊作微小虛擬位移
10.1.3 氣塊作有限虛擬位移
10.2 靜力穩(wěn)定度判據(jù)
10.2.1 氣塊的位移和平衡條件
10.2.2 未飽和氣塊
10.2.3 飽和氣塊
10.2.4 穩(wěn)定度類別
10.3 條件性不穩(wěn)定
10.3.1 潛在不穩(wěn)定
10.3.2 絕對(duì)穩(wěn)定和絕對(duì)不穩(wěn)定
10.3.3 熱雷雨的預(yù)報(bào)
10.4 薄層法
10.4.1 假設(shè)和條件
10.4.2 薄層法判據(jù)
10.5 夾卷作用
10.5.1 假設(shè)條件和參數(shù)
10.5.2 云塊減溫率和夾卷積云模型
10.6 整層大氣靜力穩(wěn)定度
10.6.1 升降中氣層未飽和
……
第十一章 輻射基本知識(shí)
第十二章 發(fā)射和吸收
第十三章 大氣散射
第十四章 太陽(yáng)輻射
第十五章 地氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射
第十六章 散射輻射傳輸
第十七章 輻射平衡
附錄 物理常數(shù)
主要參考書(shū)和文獻(xiàn)
1.1.1 行星大氣
地球形成于距今約45億年前,是太陽(yáng)系形成后環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的天體不斷捕獲其他天體并增生形成的。地球表面最初也許具有與太陽(yáng)組成一樣的原始大氣,即主要是以氫和氦為主的揮發(fā)性氣體成分。
在早期地球增生過(guò)程中,熔融狀態(tài)的含鐵物質(zhì)等因比重較大而不斷向地心沉積,導(dǎo)致地球物質(zhì)分布發(fā)生變化。地心處形成富含鐵的地核,上部較輕的物質(zhì)形成地幔,地幔表層冷卻形成原始的地殼。同時(shí),地表的揮發(fā)性氣體逃逸散失到空間,取而代之的是地球內(nèi)部放出的氣態(tài)物質(zhì)。至少在40億年前,地球大氣圈已是富含水汽、二氧化碳、氮?dú)庖约吧倭科渌麣怏w組成的第二代大氣(或次生大氣),會(huì)產(chǎn)生降水、溫室現(xiàn)象。
雖然類地行星(或帶內(nèi)行星)在形成和增生過(guò)程中,其大氣經(jīng)歷相似的演化過(guò)程,但隨著這些行星的演化,它們卻擁有非常不同的現(xiàn)代大氣(見(jiàn)表1.1)。這種現(xiàn)代大氣組成的差異,反映了原始大氣中氣體含量的差異,但主要?dú)w因于太陽(yáng)系中不同行星大氣的演化方式。當(dāng)其他行星的大氣經(jīng)歷異常突變的演化時(shí),地球大氣的演化卻相對(duì)緩慢。水星大氣完全散失,金星大氣發(fā)展成失控的溫室使得金星表面巖石被液化,火星大部分的氣體散失到空間,地球則在約20億年前,隨著大氣氧含量的增加,出現(xiàn)了具有氧化性質(zhì)的第三代大氣。