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大氣科學 第二版 版權信息
- ISBN：9787030225955
- 條形碼：9787030225955 ; 978-7-03-022595-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
大氣科學 第二版 內容簡介
WallaceandHobbs''''originaleditionofAtmosphericSciencehelpeddefinethefieldnearly30yearsago,andhasservedasthecornerstoneformostuniversitycurriculums.Nowstudentsandprofessionalsalikecanusethisupdatedclassictounderstandatmosphericphenomenainthecontextofthelatestdiscoveriesandtechnologies,andpreparethemselvesformoreadvancedstudyandreal-lifeproblemsolving.AtmosphericScience,SecondEdition,hasbeencompletelyrevampedintermsofcontentandappearance.Itcontainsnewchaptersonatmosphericchemistry,theEarthsystem,climate,andtheatmosphericboundarylayer,aswellasenhancedtreatmentofatmosphericdynamics,weatherforecasting,radiativetransfer,severestorms,andhumanimpacts,suchasglobalwarming.Theauthorsillustrateconceptswithcolorfulstate-of-the-artimageryandcoveravastamountofnewinformationinthefield.Theyhavealsodevelopedseveralonlinematerialsforinstructorswhoadoptthetext.Withitsthoroughcoverageofthefundamentals,clearexplanations,andextensiveupdates,Wallace&Hobbs''''AtmosphericScience,SecondEdition,istheessentialfirststepineducatingtoday''''satmosphericscientists.
大氣科學 第二版 目錄
目錄
序言
譯者前言
第二版前言
鳴謝
**版前言
第1章 緒論 1
1.1 研究內容及近期的主要進展 1
1.2 相關概念及術語 3
1.3 大氣的基礎知識 6
1.3.1 光學特性 6
1.3.2 大氣質量 7
1.3.3 大氣化學成分 8
1.3.4 大氣的垂直結構 9
1.3.5 風場 13
1.3.6 降水 20
1.4 第2章簡介 22
習題 23
第2章 地球系統 25
2.1 地球系統的成員 25
2.1.1 海洋 25
2.1.2 冰雪圈 32
2.1.3 陸地生物圈 36
2.1.4 地殼和地幔 38
2.1.5 地球系統中各部分對氣候的作用 39
2.2 水循環 40
2.3 碳循環 42
2.3.1 大氣中的碳 44
2.3.2 生物圈中的碳 44
2.3.3 海洋中的碳 46
2.3.4 地殼中的碳 47
2.4 地球系統中的氧 48
2.4.1 氧的來源 48
2.5 氣候和地球系統的歷史 51
2.5.1 地球系統的形成和演變 51
2.5.2 1億年前 54
2.5.3 100萬年前 55
2.5.4 2萬年前 58
2.6 地球：適合生物生存的星球 59
習題 61
第3章 大氣熱力學 65
3.1 氣體定律 65
3.1.1 虛溫 68
3.2 流體靜力學方程 69
3.2.1 重力位勢 71
3.2.2 標高和測高方程 72
3.2.3 等壓面的厚度和高度 73
3.2.4 海平面氣壓換算 74
3.3 熱力學**定律 75
3.3.1 焦耳定律 76
3.3.2 比熱 78
3.3.3 焓 79
3.4 絕熱過程 80
3.4.1 氣塊的概念 80
3.4.2 干絕熱溫度遞減率 80
3.4.3 位溫 81
3.4.4 熱力學圖 82
3.5 空氣中的水汽 83
3.5.1 濕度參數 84
3.5.2 潛熱 88
3.5.3 飽和絕熱和假絕熱過程 89
3.5.4 飽和絕熱遞減率 89
3.5.5 相當位溫和濕球位溫 90
3.5.6 諾曼德定律 91
3.5.7 先上升后下沉的凈效果 91
3.6 靜力穩定度 93
3.6.1 未飽和空氣 93
3.6.2 飽和空氣 96
3.6.3 條件性不穩定和對流性不穩定 97
3.7 熱力學第二定律及熵 98
3.7.1 卡諾循環 99
3.7.2 熵 101
3.7.3 克勞修斯克拉珀龍方程 103
3.7.4 熱力學第二定律的一般化論述 106
習題 108
第4章 輻射傳輸 120
4.1 輻射波譜 120
4.2 輻射定量描述 121
4.3 黑體輻射 124
4.3.1 普朗克函數 124
4.3.2 維恩位移定律 125
4.3.3 斯蒂芬玻耳茲曼定律 125
4.3.4 實際物體的輻射特征 127
4.3.5 基爾霍夫定律 128
4.3.6 溫室效應 128
4.4 散射、吸收和發射的物理意義 129
4.4.1 氣體分子和粒子的散射作用 130
4.4.2 粒子吸收作用 133
4.4.3 氣體分子的吸收和發射 134
4.5 行星大氣中的輻射傳輸 137
4.5.1 比爾定律 137
4.5.2 大氣層的反射和吸收 141
4.5.3 紅外輻射的吸收和發射 142
4.5.4 輻射加熱率的垂直廓線 145
4.5.5 衛星被動遙感 147
4.6 大氣頂部的輻射平衡 151
習題 152
第5章 大氣化學 159
5.1 對流層大氣的組成 159
5.2 微量氣體的源、輸送和匯 163
5.2.1 源 163
5.2.2 輸送 166
5.2.3 匯 169
5.3 對流層中的一些重要的微（痕）量氣體 169
5.3.1 氫氧自由基 169
5.3.2 部分活性氮化合物 171
5.3.3 有機化合物 172
5.3.4 氧化碳 172
5.3.5 臭氧 172
5.3.6 氫化合物 176
5.3.7 含硫氣體 176
5.4 對流層氣溶膠 177
5.4.1 源 178
5.4.2 化學組成 181
5.4.3 輸送 182
5.4.4 匯 182
5.4.5 濃度和尺度分布 183
5.4.6 停留時間 185
5.5 空氣污染 185
5.5.1 污染源 185
5.5.2 煙霧 188
5.5.3 區域和全球污染 190
5.6 對流層化學循環 191
5.6.1 氮循環 192
5.6.2 硫循環 193
5.7 平流層化學 194
5.7.1 未擾動的平流層臭氧 194
5.7.2 人類活動對平流層臭氧的影響：臭氧洞 200
5.7.3 平流層氣溶膠、平流層中的硫 206
習題 209
第6章 云微物理學 218
6.1 水汽的凝結核化 218
6.1.1 凝結核化原理 219
6.1.2 云凝結核 223
6.2 暖云的微結構 225
6.3 云液水含量及夾卷 228
6.4 暖云中云滴的增長 232
6.4.1 凝結增長 232
6.4.2 碰并增長 234
6.4.3 云滴凝結增長和碰并增長之間的過渡 240
6.5 冷云微物理學 244
6.5.1 冰質粒的核化；冰核 244
6.5.2 云中的冰質粒濃度；冰晶繁生 249
6.5.3 云中冰質粒的增長 252
6.5.4 冷云中降水的形成 258
6.5.5 固體降水的分類 260
6.6 人工影響云和降水 261
6.6.1 人工影響暖云 262
6.6.2 人工影響冷云 262
6.6.3 無意識人工影響 266
6.7 雷暴與起電 267
6.7.1 電荷的產生 268
6.7.2 閃電和雷聲 270
6.7.3 全球電路 272
6.8 云和降水化學 276
6.8.1 總論 276
6.8.2 質粒和氣體的傳輸 276
6.8.3 核化清除 277
6.8.4 氣體在云滴中的溶解 277
6.8.5 液相化學反應 278
6.8.6 降水清除 279
6.8.7 降水中硫酸鹽的來源 279
6.8.8 雨水的化學組分 279
6.8.9 由云生成的氣溶膠 279
習題 281
第7章 大氣動力學 287
7.1 大尺度水平氣流運動學 287
7.1.1 氣流的基本運動學特征 287
7.1.2 渦度和散度 288
7.1.3 形變 290
7.1.4 流線與軌線 291
7.2 水平流體動力學 292
7.2.1 視示力 292
7.2.2 真實力 296
7.2.3 水平運動方程 297
7.2.4 地轉風 297
7.2.5 摩擦效應 298
7.2.6 梯度風 299
7.2.7 熱成風 300
7.2.8 行星旋轉下的垂直運動 302
7.2.9 渦度守恒原理 303
7.2.10 位渦 305
7.3 原始方程 307
7.3.1 氣壓垂直坐標 307
7.3.2 靜力平衡 308
7.3.3 熱力學能量方程 308
7.3.4 垂直運動場的推導 310
7.3.5 原始方程組的解 312
7.3.6 原始方程組的一個應用 313
7.4 大氣環流 315
7.4.1 動能循環 316
7.4.2 大氣熱機 318
7.5 數值天氣預報 318
習題 321
第8章 天氣系統 330
8.1 溫帶氣旋 330
8.1.1 概述 331
8.1.2 鋒和地面天氣 335
8.1.3 垂直結構 344
8.1.4 空氣軌跡 351
8.1.5 尋找完美風暴 353
8.1.6 向上而下的影響 355
8.1.7 潛熱釋放的影響 356
8.2 地形作用 357
8.2.1 背風坡鋒生和背風坡槽 357
8.2.2 羅斯貝波沿傾斜地形傳播 358
8.2.3 冷空氣堆積 359
8.2.4 地形引起的暴風 359
8.2.5 地形對降水的影響 361
8.3 深對流 362
8.3.1 環境控制 362
8.3.2 對流風暴的結構和演變 366
8.3.3 與對流風暴有關的破壞性風 374
8.3.4 中尺度對流系統 381
8.4 熱帶氣旋 384
8.4.1 結構、熱力學以及動力學 384
8.4.2 生成和生命期 386
8.4.3 風暴潮 388
習題 388
第9章 大氣邊界層 391
9.1 湍流 392
9.1.1 渦旋和熱泡 392
9.1.2 湍流的統計描述 394
9.1.3 湍流動能和湍流強度 396
9.1.4 湍流輸送和通量 397
9.1.5 湍流閉合 399
9.1.6 湍流尺度和相似理論 400
9.2 地表能量平衡 402
9.2.1 輻射通量 402
9.2.2 地表能量平衡 402
9.2.3 整體空氣動力學公式 404
9.2.4 全球地表能量平衡 407
9.3 垂直結構 408
9.3.1 溫度 408
9.3.2 濕度 409
9.3.3 風 409
9.3.4 邊界層結構的逐日變化和區域變化 412
9.3.5 層結對湍流和穩定性的非局地影響 413
9.4 演變 415
9.4.1 夾卷 415
9.4.2 邊界層發展 416
9.4.3 陸面云蓋下邊界層 418
9.4.4 海洋邊界層 419
9.4.5 風暴天氣 422
9.5 特殊效應 423
9.5.1 地形作用 423
9.5.2 海陸風 425
9.5.3 森林冠層效應 427
9.5.4 城市效應 428
9.6 進展中的邊界層氣象學 429
習題 430
第10章 氣候動力學 434
10.1 現代氣候 434
10.1.1 年平均狀況 434
10.1.2 與一天時間的依賴關系 438
10.1.3 與季節依賴的關系 438
10.2 氣候變率 443
10.2.1 內部產生的氣候變率 446
10.2.2 耦合氣候變率 448
10.2.3 外強迫氣候變率 457
10.3 氣候的平衡、敏感性及反饋效應 463
10.3.1 瞬變響應與平衡響應 465
10.3.2 氣候反饋效應 466
10.4 溫室效應 470
10.4.1 溫室氣體的增長 471
10.4.2 人為引起的溫室增暖效應是否明顯？ 476
10.4.3 未來人類活動引
序言
譯者前言
第二版前言
鳴謝
**版前言
第1章 緒論 1
1.1 研究內容及近期的主要進展 1
1.2 相關概念及術語 3
1.3 大氣的基礎知識 6
1.3.1 光學特性 6
1.3.2 大氣質量 7
1.3.3 大氣化學成分 8
1.3.4 大氣的垂直結構 9
1.3.5 風場 13
1.3.6 降水 20
1.4 第2章簡介 22
習題 23
第2章 地球系統 25
2.1 地球系統的成員 25
2.1.1 海洋 25
2.1.2 冰雪圈 32
2.1.3 陸地生物圈 36
2.1.4 地殼和地幔 38
2.1.5 地球系統中各部分對氣候的作用 39
2.2 水循環 40
2.3 碳循環 42
2.3.1 大氣中的碳 44
2.3.2 生物圈中的碳 44
2.3.3 海洋中的碳 46
2.3.4 地殼中的碳 47
2.4 地球系統中的氧 48
2.4.1 氧的來源 48
2.5 氣候和地球系統的歷史 51
2.5.1 地球系統的形成和演變 51
2.5.2 1億年前 54
2.5.3 100萬年前 55
2.5.4 2萬年前 58
2.6 地球：適合生物生存的星球 59
習題 61
第3章 大氣熱力學 65
3.1 氣體定律 65
3.1.1 虛溫 68
3.2 流體靜力學方程 69
3.2.1 重力位勢 71
3.2.2 標高和測高方程 72
3.2.3 等壓面的厚度和高度 73
3.2.4 海平面氣壓換算 74
3.3 熱力學**定律 75
3.3.1 焦耳定律 76
3.3.2 比熱 78
3.3.3 焓 79
3.4 絕熱過程 80
3.4.1 氣塊的概念 80
3.4.2 干絕熱溫度遞減率 80
3.4.3 位溫 81
3.4.4 熱力學圖 82
3.5 空氣中的水汽 83
3.5.1 濕度參數 84
3.5.2 潛熱 88
3.5.3 飽和絕熱和假絕熱過程 89
3.5.4 飽和絕熱遞減率 89
3.5.5 相當位溫和濕球位溫 90
3.5.6 諾曼德定律 91
3.5.7 先上升后下沉的凈效果 91
3.6 靜力穩定度 93
3.6.1 未飽和空氣 93
3.6.2 飽和空氣 96
3.6.3 條件性不穩定和對流性不穩定 97
3.7 熱力學第二定律及熵 98
3.7.1 卡諾循環 99
3.7.2 熵 101
3.7.3 克勞修斯克拉珀龍方程 103
3.7.4 熱力學第二定律的一般化論述 106
習題 108
第4章 輻射傳輸 120
4.1 輻射波譜 120
4.2 輻射定量描述 121
4.3 黑體輻射 124
4.3.1 普朗克函數 124
4.3.2 維恩位移定律 125
4.3.3 斯蒂芬玻耳茲曼定律 125
4.3.4 實際物體的輻射特征 127
4.3.5 基爾霍夫定律 128
4.3.6 溫室效應 128
4.4 散射、吸收和發射的物理意義 129
4.4.1 氣體分子和粒子的散射作用 130
4.4.2 粒子吸收作用 133
4.4.3 氣體分子的吸收和發射 134
4.5 行星大氣中的輻射傳輸 137
4.5.1 比爾定律 137
4.5.2 大氣層的反射和吸收 141
4.5.3 紅外輻射的吸收和發射 142
4.5.4 輻射加熱率的垂直廓線 145
4.5.5 衛星被動遙感 147
4.6 大氣頂部的輻射平衡 151
習題 152
第5章 大氣化學 159
5.1 對流層大氣的組成 159
5.2 微量氣體的源、輸送和匯 163
5.2.1 源 163
5.2.2 輸送 166
5.2.3 匯 169
5.3 對流層中的一些重要的微（痕）量氣體 169
5.3.1 氫氧自由基 169
5.3.2 部分活性氮化合物 171
5.3.3 有機化合物 172
5.3.4 氧化碳 172
5.3.5 臭氧 172
5.3.6 氫化合物 176
5.3.7 含硫氣體 176
5.4 對流層氣溶膠 177
5.4.1 源 178
5.4.2 化學組成 181
5.4.3 輸送 182
5.4.4 匯 182
5.4.5 濃度和尺度分布 183
5.4.6 停留時間 185
5.5 空氣污染 185
5.5.1 污染源 185
5.5.2 煙霧 188
5.5.3 區域和全球污染 190
5.6 對流層化學循環 191
5.6.1 氮循環 192
5.6.2 硫循環 193
5.7 平流層化學 194
5.7.1 未擾動的平流層臭氧 194
5.7.2 人類活動對平流層臭氧的影響：臭氧洞 200
5.7.3 平流層氣溶膠、平流層中的硫 206
習題 209
第6章 云微物理學 218
6.1 水汽的凝結核化 218
6.1.1 凝結核化原理 219
6.1.2 云凝結核 223
6.2 暖云的微結構 225
6.3 云液水含量及夾卷 228
6.4 暖云中云滴的增長 232
6.4.1 凝結增長 232
6.4.2 碰并增長 234
6.4.3 云滴凝結增長和碰并增長之間的過渡 240
6.5 冷云微物理學 244
6.5.1 冰質粒的核化；冰核 244
6.5.2 云中的冰質粒濃度；冰晶繁生 249
6.5.3 云中冰質粒的增長 252
6.5.4 冷云中降水的形成 258
6.5.5 固體降水的分類 260
6.6 人工影響云和降水 261
6.6.1 人工影響暖云 262
6.6.2 人工影響冷云 262
6.6.3 無意識人工影響 266
6.7 雷暴與起電 267
6.7.1 電荷的產生 268
6.7.2 閃電和雷聲 270
6.7.3 全球電路 272
6.8 云和降水化學 276
6.8.1 總論 276
6.8.2 質粒和氣體的傳輸 276
6.8.3 核化清除 277
6.8.4 氣體在云滴中的溶解 277
6.8.5 液相化學反應 278
6.8.6 降水清除 279
6.8.7 降水中硫酸鹽的來源 279
6.8.8 雨水的化學組分 279
6.8.9 由云生成的氣溶膠 279
習題 281
第7章 大氣動力學 287
7.1 大尺度水平氣流運動學 287
7.1.1 氣流的基本運動學特征 287
7.1.2 渦度和散度 288
7.1.3 形變 290
7.1.4 流線與軌線 291
7.2 水平流體動力學 292
7.2.1 視示力 292
7.2.2 真實力 296
7.2.3 水平運動方程 297
7.2.4 地轉風 297
7.2.5 摩擦效應 298
7.2.6 梯度風 299
7.2.7 熱成風 300
7.2.8 行星旋轉下的垂直運動 302
7.2.9 渦度守恒原理 303
7.2.10 位渦 305
7.3 原始方程 307
7.3.1 氣壓垂直坐標 307
7.3.2 靜力平衡 308
7.3.3 熱力學能量方程 308
7.3.4 垂直運動場的推導 310
7.3.5 原始方程組的解 312
7.3.6 原始方程組的一個應用 313
7.4 大氣環流 315
7.4.1 動能循環 316
7.4.2 大氣熱機 318
7.5 數值天氣預報 318
習題 321
第8章 天氣系統 330
8.1 溫帶氣旋 330
8.1.1 概述 331
8.1.2 鋒和地面天氣 335
8.1.3 垂直結構 344
8.1.4 空氣軌跡 351
8.1.5 尋找完美風暴 353
8.1.6 向上而下的影響 355
8.1.7 潛熱釋放的影響 356
8.2 地形作用 357
8.2.1 背風坡鋒生和背風坡槽 357
8.2.2 羅斯貝波沿傾斜地形傳播 358
8.2.3 冷空氣堆積 359
8.2.4 地形引起的暴風 359
8.2.5 地形對降水的影響 361
8.3 深對流 362
8.3.1 環境控制 362
8.3.2 對流風暴的結構和演變 366
8.3.3 與對流風暴有關的破壞性風 374
8.3.4 中尺度對流系統 381
8.4 熱帶氣旋 384
8.4.1 結構、熱力學以及動力學 384
8.4.2 生成和生命期 386
8.4.3 風暴潮 388
習題 388
第9章 大氣邊界層 391
9.1 湍流 392
9.1.1 渦旋和熱泡 392
9.1.2 湍流的統計描述 394
9.1.3 湍流動能和湍流強度 396
9.1.4 湍流輸送和通量 397
9.1.5 湍流閉合 399
9.1.6 湍流尺度和相似理論 400
9.2 地表能量平衡 402
9.2.1 輻射通量 402
9.2.2 地表能量平衡 402
9.2.3 整體空氣動力學公式 404
9.2.4 全球地表能量平衡 407
9.3 垂直結構 408
9.3.1 溫度 408
9.3.2 濕度 409
9.3.3 風 409
9.3.4 邊界層結構的逐日變化和區域變化 412
9.3.5 層結對湍流和穩定性的非局地影響 413
9.4 演變 415
9.4.1 夾卷 415
9.4.2 邊界層發展 416
9.4.3 陸面云蓋下邊界層 418
9.4.4 海洋邊界層 419
9.4.5 風暴天氣 422
9.5 特殊效應 423
9.5.1 地形作用 423
9.5.2 海陸風 425
9.5.3 森林冠層效應 427
9.5.4 城市效應 428
9.6 進展中的邊界層氣象學 429
習題 430
第10章 氣候動力學 434
10.1 現代氣候 434
10.1.1 年平均狀況 434
10.1.2 與一天時間的依賴關系 438
10.1.3 與季節依賴的關系 438
10.2 氣候變率 443
10.2.1 內部產生的氣候變率 446
10.2.2 耦合氣候變率 448
10.2.3 外強迫氣候變率 457
10.3 氣候的平衡、敏感性及反饋效應 463
10.3.1 瞬變響應與平衡響應 465
10.3.2 氣候反饋效應 466
10.4 溫室效應 470
10.4.1 溫室氣體的增長 471
10.4.2 人為引起的溫室增暖效應是否明顯？ 476
10.4.3 未來人類活動引
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大氣科學 第二版 節選
第1章 緒論 1.1 研究內容及近期的主要進展 大氣科學是一門比較新的應用性學科，研究行星大氣的結構和演變規律，以及在大氣中發生的各種天氣現象。大氣科學主要圍繞地球大氣進行研究，從這個意義上說，大氣科學可視為地球科學的一個分支，它和從屬于地球科學的其他分支一樣，都融合了物理、化學以及流體力學。 對更準確的預報的需求促使大氣科學不斷發展，尤其是在20世紀發展更為迅速。時下普遍的叫法“氣象學家”即大氣科學研究者的代名詞，其實就是“天氣預報員”。在過去的100年中，天氣預報已經從單一的依靠經驗和直覺預測演變成基于質量、動量和能量守恒的數值模式預測。預測模式日益發展，同時，愈發成熟的模式也使其預報技巧大大提高了（見圖1.1）。今天的天氣預報不僅要作出未來l~2周內天氣形勢的確定性逐日演變，而且關注逐時災害性天氣事件（如強雷暴、凍雨等）發生的可能性（也被稱作“臨近預報”）；它還研究在未來一年中可能出現的季節性氣候偏差（即天氣統計學）。 圖1.1 1981-2005年數值天氣預報技巧的改善。縱坐標表示預報水平，其中100%代表大氣模式對5km高的半球流場型能做出完全準確的預報。*上面的一對曲線表示3天的預報水平，中間的一對曲線表示5天的預報水平，*下面的一對曲線為7天的預報水平。每一對曲線中，上面的曲線表示對北半球的平均預報水平，下面的曲線表示對南半球的平均預報水平。可以看出，預報技巧不斷提高（如今對北半球流場型的5天預報技巧水平已和20年前的3天預報水平相當）；而在南半球，預報技巧提高的更快，這反映了在預報模式中同化衛星資料所取得的進步[摘自Quart.J.Royal Met.Soc.，128，p.652 (2002)。由歐洲中期天氣預報中心提供]。 天氣預報工作不僅為大氣科學的發展提供了理論支持，而且還提供了大量的基本資料。19世紀末發展起來的資料整合系統是通過電傳地面氣象觀測變量匯集區域資料，而現在它已演變成復雜的觀測系統，其中，地面以及高空的實地和衛星觀測值以一種動力一致的方式被融合或同化以獲得其相應的全球三維場的*優估算。這套全球的、實時的大氣資料讓海洋學家和其他地球行星學家贊嘆不已，它不僅代表著一項杰出的技術成就，而且也是一個得益于國際合作的極佳榜樣。當前，全球天氣觀測系統是更廣闊的地球觀測系統中的一個極重要成員，地球觀測系統有助于多項科學研究活動的開展，包括氣候監測和全球范圍的生態系統的研究。 大氣化學是大氣科學中一個更新的、也越來越重要的分支學科。一個世紀以前，這一領域的研究重點還僅僅是城市空氣質量狀況。在20世紀70年代，研究發現北歐、美國東北部及加拿大東部地區的森林和湖泊中的生物遭到了酸雨的侵害，這是由于位于上風方向的數百里甚至有些數千里以外的燃煤發電廠排放二氧化硫造成的。硫和氮氧化合物（SO2、NO、NO2和N2O5）溶于微小的云滴，形成弱溶解的硫酸和硝酸，再通過降水到達地面從而形成酸雨。這一事實使大氣化學的研究得到前所未有的重視。 圖1.2 2000年9月南半球高緯地區臭氧含量隨高度積分分布圖，由合成氣體氯氟烴化合物的累積所致的南極臭氧空洞清晰可見。其中紫色和淺藍色陰影代表的臭氧相對比值比同圍綠色和黃色陰影區域的要小得多[根據NASA TOMS科學小組提供的數據所得；圖片來自NASA的科學顯像工作室]（另見彩圖）。 越來越多的研究結果表明，人類活動對全球大氣成分有很大的影響。20世紀80年代有一重大發現，即南極上空出現“臭氧洞”：每年春天，位于南極上空平流層中的臭氧層消失（見圖1.2）。研究表明，臭氧層的破壞是由氯氟烴化合物(CFCs)分解所致，而此類合成氣體越來越廣泛的用于制冷和各種工業中。正如在酸雨問題中發生了有云滴參與的各類化學反應，同樣的在“臭氧洞”現象中，也有化學反應發生，只是發生反應的區域很小，僅在極區的平流層云中。對大氣化學的研究，將有助于擬定相應的政策以控制并*終扭轉酸雨和臭氧洞現象的蔓延。目前，由于人類活動增加了二氧化碳和其他微量氣體的排放（見圖1.3），溫室效應導致全球變暖，這個還有待于解決的科學問題又向大氣化學及更廣的地球化學領域提出了新的挑戰。 圖1.3 莫納羅亞（夏威夷）和南極地區的月平均大氣CO2濃度（單位：ppmv，體積的百萬分之一）隨時間演變圖，其中，CO2濃度的上升由人類燃燒化石燃料所致。在莫納羅亞，大氣CO2濃度還具有顯著的年循環，其中夏季濃度*小[數據來自于C.D，Keelin，由Todd P.Mitchell提供]。 大氣科學還包括一個新興領域——氣候動力學。20世紀，大多數的氣象學家認為，氣候變化發生在一定的時間尺度內，在這個時間尺度，當前的氣候狀態可以依據一組統計標準值（如1月份的溫度氣候平均值）來描述。他們認為氣候學與氣候變化是兩個獨立的領域，前者是大氣科學中的一個分支，而后者則廣泛存在于各學科中，例如地質學、古植物學、地球化學等。從更全面的動力學觀點看得氣候的諸因素中有： 證實了厄爾尼諾現象發生時，全球大范圍氣候具有逐年變化的相關型（見10.2節）。 多種來源的代用資料（尤其是海洋沉積物和冰芯）證據指出，在一個世紀或更短些的時間尺度內發生了大范圍的、一致的氣候變化（見2.5.4小節）。 由于人類活動導致的20世紀全球平均地表氣溫上升以及在21世紀會有更大幅度升溫的預測（見10.4節）。 跟大氣化學的某些方面一樣，大氣動力學本質上包含多個學科。要理解氣候變化的性質和原因，就必須將大氣看作是地球系統的一部分。 1.2 相關概念及術語 雖然地球并不完全是一個球體，但圍繞地球旋轉的大氣活動仍可以用旋轉球坐標系來表示（見圖1.4）。坐標軸分別是緯度φ、經度λ和海拔高度z。坐標角度通常由距離代替，即 （1.1） 式中，x表示本初子午線以東的緯向距離，y表示赤道以北的距離，r表示距地球球心的距離。在地球表面，一個緯距為111km[或是60海里(1海里＝1. 852km)]。由于99. 9%的大氣質量都集中在距離地表面大約50km以內，而該大氣層的厚度還不到地球半徑的1%，因此，r通常取地球的平均半徑（6.37×106m），用RE表示。從地球的邊緣影像可以看到大氣層確實是很薄的（見圖5）。 為描述大氣運動，定義了3個速度分量：（緯向速度分量） （1.2） （經向運動分量） 和 （垂直運動分量） 式中，z表示海拔高度。考慮變量的平均值、梯度以及沿剖面的變化時，會經常用到“經向”和 “緯向”。例如，“緯向平均”表示沿著某一緯圈的平均；“經向剖面”表示南北方向的大氣橫截面。水平速度V表示為，其中和分別是緯向和經向的單位矢量。正（負）的緯向速度表示西（東）風，正（負）的經向速度表示南（北）風，南、北半球都一樣。對于尺度大于100km的大氣運動，其水平尺度遠大于垂直尺度，相應地其水平速度的特征尺度也比垂直速度的特征尺度大多個量級，所以對于這些尺度的大氣運動，可以用水平風速矢量近似的代替風速。風速的國際單位是m s-1。1m s-1相當于1.95knots（1knot=l海里／h）。在大尺度大氣運動中，垂直速度分量通常用cm s-1計量，1m s-1的垂直速度大約為每天在垂直方向移動1km。 圖1.4 大氣科學中的球坐標系。φ表示緯度，定義北半球為正，南半球為負；λ表示相對于本初子午線的經度，向東為正。徑向坐標（radial coordinate）（沒有給出）表示海拔高度。 圖1.5 太空拍攝的可見衛星圖像中地球的邊緣。圖中白色的光帶主要是光線被大氣中的氣溶膠散射形成的，疊加其上的藍色光帶主要是被大氣分子散射形成的[NASA Gemini-4圖片，NASA提供]（另見彩圖）。 本書中，局地導數表示旋轉坐標系中某一固定點隨時間的變化率，而全導數表示在大氣中沿著某一空氣微團在三維空間中運動軌跡的變化率，它們分別稱為歐拉變率和拉格朗日變率。兩者的關系可用下式表示： 或者反過來表示為 (1.3) (1.3)式中含有速率的各項，包含前面的負號一起，稱為平流項。空間固定點上，某一變量妒的歐拉變率和拉格朗日變率是不同的，這是從上游平流的空氣帶有較高或較低的結果。對一個假想的示蹤氣塊，其拉格朗日變率恒等于零，而歐拉變率則為 熱力學中基本變量為氣壓、密度p和溫度。氣壓的國際單位為1N m-2＝1kg m-1 S-2 =1pascal(Pa)。在采用國際制單位之前，大氣壓是用毫巴(mb)表示的，其中1mb =106g cm-1 S-2 =106 dynes cm-2。為了保留氣象學家和公眾已經習慣了的氣壓數值，目前大氣壓通常用百帕作單位(hPa)。密度的單位為kg m-3，溫度的單位可用℃或者K，這要根據具體情況，表示溫度偏差時用℃，表示溫度本身時用K。能量的單位為焦[耳](J=kg m2 S-2)。 理論上，決策預報的極限一般為幾個星期，通常把時間尺度小于這個長度的大氣現象看作與天氣有關的現象，而把時間尺度更長的現象看作與氣候有關的現象。因此，諺語中說“氣候是未來發生的，而天氣則是正在發生的”。時間尺度為幾個月或更長時間的大氣變化稱為氣候變化，與典型的（與“特別”相對）季節或年際尺度相關的統計學稱為氣候平均統計學。 框欄1.1 大氣的可預報性和混沌性 由于初值問題的存在（如系統方程從一固定狀態隨時間向前積分）過幾個星期的大氣運動本質上是不可預報的。在模式預報中無論初始條件中的企有多小，當超過這個時間范圍，它們誤差可以增大到與我們所觀察到的大氣流場白化相當。這種對初始條件的極度敏感性是許多類型實際現象的數學模型的特點為混沌非線性系統。事實上，就是高度簡單的天氣預報模式中誤差的增長也清楚地表明了這一類現象的存在。 1960年，麻省理工學院氣象系的Edward N.Lorenz為了使他的“天氣預報”自延伸更長的時間，決定利用一個簡化的大氣模式重新試驗。出乎意料的是，他發現居然不能得到先前的試驗結果了。兩次試驗中，即使程序和模式初始條件完全一樣，兩個預報結果在經過*初的幾百步后幾乎完全不同，這和從完全不同的初始條件出發積分得到的隨意選擇的狀態的情況差不多。Lorenz*終發現，他使用的計算機會帶來舍入誤差，因為每次在計算時對*后一位有效數字的舍人都不同。起初，模式不同次運行中天氣型的差別不明顯，然而隨著不斷的積分，此種差別顯著到與單次模式運行中天氣型的變化相當。 同時，Lorenz的模式也展示了另一個顯著的、出乎意料的結果。在很長的模擬時間里，模擬結果在某一氣候平均態附近來回振蕩，然后在沒有任何明顯原因的們下，模式模擬的氣候態突然發生變化，開始在另一完全不同的氣候態附近來回擺動（見圖1.6）。Lorenz模式給出了兩個這樣的主要的“氣候態”，當模式狀態停留在其中一種氣候態時，“天氣”呈現準周期震蕩，因此，即便是對較遠的未來也是可以預測的。但是，這兩種氣候狀態間的變化非常突然，不規則，在幾個模擬日之外都是無法預測的。Lorenz稱模式中這兩種氣候態為吸引子(attractors)。 圖1.6 Lorenz所用模式狀態的結果用模式3個因變量振幅所決定的三維空間中這種氣候態突變的現象表現得非常明顯，模式態在兩種“氣候吸引子”之間來回振蕩，對應圖中完全不同的兩組螺旋體系，處于三維位相空間中兩個不同的位面。兩種氣候態間的轉化并不常發生[摘自《自然》雜志，406，p. 949 (2000)，由Paul Bourke提供]。 實際的大氣運動要比Lorenz在試驗中運用的高度簡化模式復雜得多。地球氣候是圍繞多“吸引子”的氣候態變化還是該被看成是一個受太陽輻射、地球軌道、火山活動以及人類影響的單一氣候狀態變化，還有待于進一步討論。
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