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第1章 低层大气和中层大气的结构和成分1

1.1 地球大气的进化1

1.2 地球大气的成分3

1.3 大气压5

1.4 大气的热力结构6

1.4.1 对流层7

1.4.2 平流层8

1.4.3 中间层9

1.4.4 热层9

1.4.5 外逸层9

1.5 高层大气的结构9

1.5.1 电离层10

1.5.2 等离子层11

1.5.3 磁层11

1.6 对流层顶12

1.6.1 热带对流层顶13

1.6.2 对流层顶缩写14

1.6.3 动力对流层顶14

1.6.4 臭氧对流层顶15

1.6.5 对流层顶折叠15

1.6.6 对流层顶对对流层天气事件的重要性17

1.7 低层大气和中层大气的气候状态17

1.7.1 温度17

1.7.2 风18

1.7.3 日循环19

1.7.4 全年振荡20

1.7.5 准半年振荡20

1.7.6 年际变化与季节内变化21

1.7.7 急流22

1.7.8 准两年振荡22

1.7.9 平均经向风24

1.7.10 纬向平均质量环流25

1.7.11 极地涡旋26

1.8 主要的平流层与对流层相互作用事件27

1.8.1 极地平流层云27

1.8.2 爆发性增温28

1.8.3 北极涛动29

1.8.4 北大西洋涛动30

1.9 大气潮汐30

1.10 对流层和平流层中主要的温室气体30

1.10.1 平流层臭氧30

1.10.2 二氧化碳32

1.10.3 水汽33

1.10.4 平流层水汽34

1.11 上对流层和下平流层34

1.12 气溶胶36

1.12.1 水溶性气溶胶37

1.12.2 气溶胶的滞留时间37

1.12.3 对流层气溶胶37

1.12.4 平流层气溶胶38

思考题38

参考文献39

第2章 低层大气和中层大气中的辐射过程43

2.1 引言43

2.2 辐射的基本原理43

2.2.1 电磁能44

2.2.2 辐射能45

2.2.3 光度测定和辐射测定46

2.2.4 黑体辐射47

2.2.5 大气散射49

2.2.6 吸收和发射50

2.2.7 反射和透射51

2.2.8 亮温52

2.2.9 太阳常数52

2.2.1 0反照率53

2.2.1 1温室效应53

2.3 辐射传输55

2.3.1 比尔定律55

2.3.2 史瓦西定律56

2.3.3 太阳辐射吸收和大气加热56

2.3.4 辐射盈余与大气加热率59

2.3.5 红外辐射加热与冷却60

2.3.6 辐射吸收导致的加热61

2.3.7 辐射加热的垂直廓线61

2.4 太阳辐射和地球大气62

2.4.1 太阳辐射的吸收62

2.4.2 大气窗65

2.4.3 平流层和对流层中太阳辐射的衰减66

2.5 大气辐射过程67

2.5.1 对流层中的辐射过程68

2.5.2 平流层中的辐射过程68

2.6 平流层冷却69

2.6.1 平流层冷却的原因69

2.6.2 平流层冷却率71

2.6.3 其他影响71

2.7 太阳活动对平流层和对流层大气的作用72

思考题75

参考文献76

第3章 对流层和平流层的动力过程79

3.1 引言79

3.2 大气动力过程的基本量79

3.2.1 状态方程80

3.2.2 流体静力学方程80

3.2.3 位势高度81

3.2.4压高方程82

3.3 守恒定律82

3.3.1 运动方程（动量守恒）82

3.3.2 连续方程（质量守恒）84

3.3.3 能量守恒86

3.4 干洁大气的热力过程88

3.4.1 位势温度88

3.4.2 大气稳定度89

3.4.3 浮力频率89

3.4.4 热力学能量方程90

3.5 原始方程组91

3.5.1 原始方程组的形式91

3.5.2 水平运动方程的近似92

3.6 风的平衡92

3.6.1 地转风92

3.6.2 地转偏差93

3.6.3 梯度风94

3.6.4 地转风和梯度风的联系95

3.6.5 热成风95

3.6.6 热成风的应用96

3.6.7 正压大气和斜压大气97

3.7 环量、涡度和散度97

3.7.1 环量97

3.7.2 涡度98

3.7.3 相对涡度98

3.7.4 自然坐标系下的涡度98

3.7.5 行星涡度99

3.7.6 绝对涡度99

3.7.7 散度99

3.8 保守量100

3.8.1 位势涡度100

3.8.2 厄特尔位势涡度100

3.9 涡度方程101

3.9.1 气压坐标系下的涡度方程102

3.9.2 简化的涡度方程102

3.9.3 准地转涡度方程103

3.9.4 准地转位势涡度方程103

3.10 中层大气中的平均经向环流104

3.11 平均能量的年循环108

思考题109

参考文献111

第4章 对流层和平流层的波动112

4.1 引言112

4.2 波动的定义112

4.3 波动的基本属性113

4.4 波动的分类115

4.5 大气中的波动115

4.5.1 声波116

4.5.2 兰姆波117

4.5.3 浅水重力波117

4.5.4 罗斯贝波123

4.6 大气重力波127

4.6.1 纯重力内波128

4.6.2 惯性重力波132

4.6.3 波破碎135

4.7 行星波强迫136

4.8 赤道波动138

4.8.1 开尔文波139

4.8.2 混合罗斯贝重力波141

4.9 大气波动的垂直传播145

4.9.1 开尔文波的垂直传播146

4.9.2 混合罗斯贝重力波的垂直传播146

4.10 波动垂直传播的能量学147

4.10.1 EP方法147

4.10.2 查卓理论150

4.10.3 林森理论151

4.11 准两年振荡的机制152

4.11.1 与太阳活动的联系153

4.11.2 行星波强迫153

4.11.3 行星波理论的局限性154

4.12 平流层爆发性增温154

4.12.1 平流层爆发性增温事件的演变154

4.12.2 平流层增温理论154

思考题155

参考文献156

第5章 对流层和平流层的化学过程159

5.1 引言159

5.2 吸收截面160

5.3 化学反应动力学160

5.3.1 一级反应160

5.3.2 二级反应161

5.3.3 三体反应161

5.4 热解离反应162

5.5 连续方程162

5.6 臭氧光化学162

5.7 Chapman循环的局限性164

5.8 反应物和反应速率系数165

5.9 臭氧光解166

5.9.1 高度变化166

5.9.2 纬度变化166

5.9.3 季节变化166

5.9.4 日变化167

5.10 非均相反应167

5.10.1 过氧化氯的臭氧损耗169

5.10.2 氯和氮的活化和失活170

5.11 催化损耗171

5.11.1 氢的催化损耗171

5.11.2 甲烷的光解反应172

5.11.3 氢自由基的催化循环173

5.11.4 氮自由基的催化循环174

5.11.5 氮自由基催化反应随温度的变化175

5.11.6 氯的源177

5.11.7 氯自由基的催化反应177

5.11.8 南极臭氧洞和氯自由基的催化反应178

5.11.9 溴的源179

5.11.10 溴自由基的催化反应180

5.12 平流层颗粒物181

5.12.1 硫酸盐气溶胶181

5.12.2 极地平流层云的化学成分181

5.13 对流层化学182

5.13.1 对流层化学成分的源182

5.13.2 对流层臭氧183

5.13.3 对流层甲烷183

5.14 大气化学和气候184

5.15 大气化学领域的诺贝尔奖188

思考题189

参考文献189

第6章 平流层臭氧损耗和南极臭氧洞192

6.1 引言192

6.2 影响平流层臭氧变率的因素193

6.2.1 化学过程193

6.2.2 动力过程195

6.2.3 平流层温度196

6.2.4 大气传输197

6.2.5 太阳周期197

6.2.6 火山爆发198

6.2.7 气溶胶199

6.2.8 燃烧对流199

6.2.9 极涡199

6.3 臭氧损耗基础200

6.3.1 极地气象学的特殊性200

6.3.2 化学过程导致的极地臭氧损耗200

6.3.3 氯自由基的产生201

6.4 人类活动对臭氧损耗的作用201

6.4.1 氯化物203

6.4.2 平流层中的氯氟烃203

6.5 南极臭氧洞203

6.5.1 南极臭氧洞的发现205

6.5.2 臭氧洞理论207

6.5.3 动力学理论207

6.5.4 氮氧化物理论208

6.5.5 非均相化学理论208

6.6 南极涡旋209

6.6.1 极地涡旋的环流场209

6.6.2 极夜急流和极地涡旋210

6.6.3 温度211

6.6.4 南极冬季的低温212

6.6.5 位势涡度213

6.6.6 加热214

6.6.7 输送214

6.6.8 垂直运动和臭氧输送215

6.6.9 极地涡旋中的化学反应215

6.7 南极臭氧洞的结构与变化216

6.7.1 水平结构216

6.7.2 垂直结构217

6.7.3 臭氧探空的垂直廓线218

6.8 臭氧220 DU等值线218

6.9 臭氧损耗强度219

6.9.1 臭氧洞面积220

6.9.2 臭氧总量最小值220

6.9.3 臭氧质量赤字220

6.10 南极臭氧的年循环220

6.11 2002年南极臭氧洞异常221

6.12 北极臭氧洞223

6.13 蒙特利尔议定书224

6.13.1 修正与调整224

6.13.2 蒙特利尔议定书的影响224

6.14 目前的臭氧损耗225

6.15 未来的臭氧层227

6.15.1 全球臭氧恢复的3个阶段227

6.15.2 自然因素227

思考题228

参考文献229

第7章 平流层和对流层的传输过程233

7.1 引言233

7.2 BD环流233

7.2.1 热带平流层臭氧总量低值235

7.2.2 热带的环流235

7.2.3 臭氧输送236

7.2.4 热带外的环流236

7.2.5 氯氟烃的输送237

7.2.6 BD环流的形成237

7.2.7 BD环流和辐射平衡239

7.2.8 BD环流的半球差异239

7.3 大气波动和痕量气体的输送239

7.3.1 波动的传播240

7.3.2 波动的发展和耗散241

7.3.3 波动导致的输送241

7.3.4 波动导致的混合241

7.3.5 波动对平均环流的影响242

7.4 其他因素242

7.5 准两年振荡和BD环流242

7.5.1 准两年振荡环流243

7.5.2 准两年振荡对臭氧输送的影响244

7.6 对流层经圈环流245

7.7 平流层和中间层平均经圈环流245

7.8 平流层空气的年龄246

思考题247

参考文献248

第8章 平流层和对流层的交换过程250

8.1 引言250

8.2 穿越对流层顶的输送252

8.3 BD环流与平流层和对流层交换254

8.3.1 热带上升流254

8.3.2 热带对流层顶层的变化255

8.3.3 穿越热带对流层顶层的交换256

8.3.4 热带外对流层顶层的变化256

8.4 中纬度对流层顶附近的交换过程257

8.4.1 阻塞高压257

8.4.2 切断低压257

8.4.3 对流层顶折叠258

8.5 热带对流层顶附近的交换过程259

8.5.1 冻干过程260

8.5.2 大气录音机260

8.5.3 平流层喷泉262

8.5.4 非绝热环流263

8.5.5 热带对流层顶的热平衡263

8.6 平流层下水道263

8.7 交换的全球尺度动力特征：热带外抽吸264

8.8 波驱动环流的数学表达265

思考题267

参考文献267

第9章 平流层对对流层天气、气候的影响269

9.1 引言269

9.2 平流层与对流层相互作用的辐射强迫270

9.3 波导致的相互作用271

9.3.1 行星波272

9.3.2 重力波272

9.4 准两年振荡在耦合过程中的作用273

9.4.1 准两年振荡对平流层和中间层的作用274

9.4.2 准两年振荡对对流层的作用275

9.4.3 平流层准两年振荡和对流层两年振荡275

9.5 平流层爆发性增温与平流层和对流层相互作用的联系276

9.6 平流层极涡和对流层天气277

9.7 平流层与对流层耦合和向下传播277

9.7.1 北极涛动对气候的影响277

9.7.2 环状模281

9.8 人类活动的作用282

9.9 臭氧变化对地表气候的影响283

9.10 平流层对自身变率的调制作用286

9.11 季风对平流层和对流层相互作用的影响287

9.12 热带对流和水汽强迫290

9.13 对流层大气成分291

9.14 热带的扩张291

9.15 太阳活动对平流层与对流层耦合的强迫293

9.16 平流层火山气溶胶295

9.17 未来情景296

思考题297

参考文献298

附录A名词缩写对照304

附录B 符号列表307

附录C物理常数表311

答案节选313