平流層與對流層相互作用引論（簡體書）

低層大氣的溫室氣體、二氧化碳、水汽、臭氧是怎樣進入高層大氣的？高層大氣又對低層大氣起什麼樣的反饋，二者如何相互作用、相互影響？本書系統描述了大氣平流層和對流層的物理、輻射、動力學及化學過程，關注臭氧層、全球變暖對大氣層的影響，可應用於大氣科學的各個分支，如氣候變化、極端災害性天氣氣候事件、天氣預報系統等，描述深入淺出、邏輯清晰易懂，可作為高年級本科生、研究生及相關科研人員的教材參考書。

第1章 低層大氣和中層大氣的結構和成分 1
1.1 地球大氣的進化 1
1.1.1 生機勃勃的地球 2
1.2 地球大氣的成分 3
1.2.1 均質層和非均質層的形成 4
1.3 大氣壓強 5
1.3.1 大氣壓強和密度的垂直結構 5
1.4 大氣的熱力結構 6
1.4.1 對流層 6
1.4.2 平流層 7
1.4.3 中間層 8
1.4.4 熱層 9
1.4.4 外逸層 9
1.5 高層大氣的結構 9
1.5.1 電離層 9
1.5.2 等離子層 10
1.5.3 磁層 10
1.6 對流層頂 11
1.6.1 熱帶對流層頂 13
1.6.2 對流層頂縮寫 13
1.6.3 動力對流層頂 14
1.6.4 臭氧對流層頂 14
1.6.5 對流層頂折疊 15
1.6.6 對流層頂對對流層天氣事件的重要性 16
1.7 低層大氣和中層大氣的氣候狀態 16
1.7.1 溫度 16
1.7.2 風 17
1.7.3 日循環 19
1.7.4 全年振盪 19
1.7.5 半年振盪 19
1.7.6 年際與季節內振盪 21
1.7.7 急流 21
1.7.8 准兩年振盪 22
1.7.9 平均經向風 22
1.7.10 緯向平均的質量環流 24
1.7.11 極地渦旋 25
1.8 主要的平對流層相互作用事件 26
1.8.1 極地平流層雲 26
1.8.2 爆發性增溫 27
1.8.3 北極濤動 29
1.8.4 北大西洋濤動 29
1.9 大氣潮汐 30
1.10 對流層和平流層中主要的溫室氣體 30
1.10.1 平流層臭氧 30
1.10.2 二氧化碳 32
1.10.3 水汽 32
1.10.4 平流層水汽 33
1.11 上對流層和下平流層 34
1.12 氣溶膠 36
1.12.1 水溶性氣溶膠 37
1.12.2 氣溶膠的滯留時間 37
1.12.3 對流層氣溶膠 37
1.12.4 平流層氣溶膠 37
問題 38
文獻 39
第2章 低層大氣和中層大氣中的輻射過程 42
2.1 引言 42
2.2 輻射的基本原理 42
2.2.1 電磁能 43
2.2.2 輻射能 43
2.2.3 光度測定和輻射測定 45
2.2.4 黑體輻射 45
2.2.5 大氣散射 48
2.2.6 吸收和發射 49
2.2.7 反射和透射 50
2.2.8 亮溫 51
2.2.9 太陽常數 51
2.2.10 反照率 51
2.2.11 溫室效應 52
2.3 輻射傳輸 53
2.3.1 比爾定律 54
2.3.2 史瓦西定律 55
2.3.3 太陽輻射吸收和大氣加熱 55
2.3.4 輻射盈餘與大氣加熱率 57
2.3.5 紅外輻射加熱與冷卻 58
2.3.6 輻射吸收導致的加熱 59
2.3.7 輻射加熱的垂直廓線 59
2.4 太陽輻射和地球大氣 60
2.4.1 太陽輻射的吸收 60
2.4.2 大氣窗 63
2.4.3 平流層和對流層中太陽輻射的衰減 64
2.5 大氣和其輻射過程 65
2.5.1 對流層中的輻射過程 66
2.5.2 平流層中的輻射過程 66
2.6 平流層冷卻 67
2.6.1 平流層冷卻的原因 67
2.6.2 平流層冷卻率 69
2.6.3 其他影響 69
2.7 太陽活動對平流層和對流層大氣的作用 70
問題 73
文獻 74
第3章 對流層和平流層的動力過程 77
3.1 引言 77
3.2 大氣動力過程的基本量 77
3.2.1 狀態方程 78
3.2.2 流體靜力學方程 78
3.2.3 位勢高度 79
3.2.4 壓高方程 80
3.3 守恆定律 80
3.3.1 運動方程（動量守恆） 80
3.3.2 連續方程（質量守恆） 82
3.3.3 能量守恆 84
3.4 幹潔大氣的熱力過程 86
3.4.1 位勢溫度 86
3.4.2 大氣穩定度 87
3.4.3 浮力頻率 87
3.4.4 熱力學能量方程 88
3.5 原始方程組 89
3.5.1 原始方程組的形式 89
3.5.2 水平運動方程的近似 90
3.6 風的平衡 90
3.6.1 地轉風 91
3.6.2 地轉偏差 91
3.6.3 梯度風 92
3.6.4 地轉風和梯度風的聯繫 93
3.6.5 熱成風 93
3.6.6 熱成風的應用 94
3.6.7 正壓和斜壓大氣 94
3.7 環量、渦度和散度 95
3.7.1 環量 95
3.7.2 渦度 95
3.7.3 相對渦度 96
3.7.4 自然坐標下的渦度 96
3.7.5 行星渦度 96
3.7.6 絕對渦度 97
3.7.7 散度 97
3.8 保守量 97
3.8.1 位勢渦度 98
3.8.2 厄特爾位勢渦度 98
3.9 渦度方程 99
3.9.1 氣壓坐標系下的渦度方程 99
3.9.2 簡化的渦度方程 100
3.9.3 准地轉渦度方程 100
3.9.4 准地轉位勢渦度方程 101
3.10 中層大氣中的平均經圈環流 101
3.10.1 緯向平均環流 102
3.11 平均能量的年循環 106
問題 107
文獻 108
第4章 對流層和平流層的波動 110
4.1 引言 110
4.2 波動的定義 110
4.3 波動的基本屬性 111
4.4 波動的分類 113
4.5 大氣中的波動 113
4.5.1 聲波 114
4.5.2 蘭姆波 115
4.5.3 淺水重力波 115
4.5.4 羅斯貝波 121
4.6 大氣重力波 125
4.6.1 純重力內波 126
4.6.2 慣性重力波 130
4.6.3 波破碎 133
4.7 行星波強迫 135
4.8 赤道波動 136
4.8.1 開爾文波 137
4.8.2 混合羅斯貝重力波 140
4.9 大氣波動的垂直傳播 143
4.9.1 開爾文波的垂直傳播 144
4.9.2 羅斯貝重力波的垂直傳播 144
4.10 波動垂直傳播的能量學 145
4.10.1 EP方法 145
4.10.2 查卓理論 148
4.10.3 林森理論 150
4.11 准兩年振盪的機制 150
4.11.1 與太陽活動的聯繫 151
4.11.2 行星波強迫 151
4.11.3 行星波理論的局限性 152
4.12 平流層爆發性增溫 152
4.12.1 增溫事件的演變 153
4.12.2 平流層增溫理論 153
問題 154
文獻 154
第5章 對流層和平流層的化學過程 157
5.1 引言 157
5.2 吸收截面 158
5.3 化學反應動力學 158
5.3.1 一級反應 158
5.3.2 二級反應 159
5.3.3 三體反應 159
5.4 熱解離反應 160
5.5 連續方程 160
5.6 臭氧光化學 161
5.7 CHAPMAN循環的局限性 162
5.8 反應物和反應速率係數 163
5.9 臭氧光解 164
5.9.1 隨高度的變化 164
5.9.2 隨緯度的變化 164
5.9.3 季節變化 165
5.9.4 日變化 165
5.10 非均相反應 165
5.10.1 過氧化氯的臭氧損耗 167
5.10.2 氯和氮的活化和失活 168
5.11 催化損耗 169
5.11.1 氫的催化損耗 169
5.11.2 甲烷的光解反應 170
5.11.3 氫自由基的催化循環 171
5.11.4 氮自由基的催化循環 172
5.11.5 氮自由基催化反應隨溫度的變化 173
5.11.6 氯的源 175
5.11.7 氯自由基的催化反應 175
5.11.8 南極臭氧洞和氯自由基的催化反應 177
5.11.9 溴的源 177
5.11.10 溴自由基的催化反應 178
5.12 平流層顆粒物 179
5.12.1 硫酸鹽氣溶膠 179
5.12.2 極地平流層雲的化學成分 179
5.13 對流層化學 180
5.13.1 對流層化學成分的源 180
5.13.2 對流層臭氧 181
5.13.3 對流層甲烷 181
5.14 大氣化學和氣候 182
5.15 大氣化學領域的諾貝爾獎 186
問題 187
文獻 188
第6章 平流層臭氧損耗和南極臭氧洞 191
6.1 引言 191
6.2 影響平流層臭氧變率的因素 192
6.2.1 化學過程 192
6.2.2 動力過程 194
6.2.3 平流層溫度 195
6.2.4 大氣輸運 196
6.2.5 太陽週期 196
6.2.6 火山爆發 197
6.2.7 氣溶膠 198
6.2.8 燃燒對流 198
6.2.9 極渦 198
6.3 臭氧損耗基礎 199
6.3.1 極地氣象學的特殊性 199
6.3.2 化學過程導致的極地臭氧損耗 199
6.3.3 氯自由基的產生 200
6.4 人類活動對臭氧損耗的作用 200
6.4.1 氯化物 202
6.4.2 平流層中的氯氟烴 202
6.5 南極臭氧洞 203
6.5.1 南極臭氧洞的發現 204
6.5.2 臭氧洞理論 206
6.5.3 動力理論 207
6.5.4 氮氧化物理論 207
6.5.5 非均相化學理論 207
6.6 南極渦旋 208
6.6.1 極地渦旋的環流場 208
6.6.2 極夜急流和極地渦旋 209
6.6.3 溫度 210
6.6.4 南極冬季的低溫 211
6.6.5 位勢渦度 212
6.6.6 加熱 213
6.6.7 輸運 213
6.6.8 垂直運動和臭氧輸運 214
6.6.9 極地渦旋中的化學反應 214
6.7 南極臭氧洞的結構與變化 215
6.7.1 水平結構 215
6.7.2 垂直結構 216
6.7.3 臭氧探空的垂直廓線 217
6.8 臭氧220 DU線 217
6.9 臭氧損耗強度 218
6.9.1 臭氧洞面積 219
6.9.2 臭氧總量最小值 219
6.9.3 臭氧質量赤字 219
6.10 南極臭氧的年循環 219
6.11 2002年南極臭氧洞異常 220
6.11.1 南半球的強爆發性增溫事件 221
6.12 北極臭氧洞 222
6.13 蒙特利爾議定書 223
6.13.1 修正與調整 223
6.13.2 蒙特利爾議定書的影響 223
6.14 目前的臭氧損耗 224
6.15 未來的臭氧層 226
6.15.1 全球臭氧恢復的三個階段 226
6.15.2 自然因素 226
問題 227
文獻 228
第7章 對流層和平流層的傳輸過程 231
7.1 引言 231
7.2 BD環流 231
7.2.1 熱帶平流層臭氧低值 233
7.2.2 熱帶的環流 233
7.2.3 臭氧輸送 234
7.2.4 熱帶外的環流 234
7.2.5 氯氟烴的輸送 235
7.2.6 BD環流的形成 235
7.2.7 BD環流和輻射平衡 237
7.2.8 BD環流的半球差異 237
7.3 大氣波動和痕量氣體的輸送 237
7.3.1 波動的傳播 238
7.3.2 波動的發展和耗散 239
7.3.3 波動導致的輸送 239
7.3.4 波動導致的混合 240
7.3.5 波動對平均環流的影響 240
7.4 其他因素 240
7.5 准兩年振盪和BD環流 240
7.5.1 准兩年振盪環流 241
7.5.2 准兩年振盪對臭氧輸送的影響 242
7.6 對流層經圈環流 243
7.7 平流層和中間層平均經圈環流 243
7.8 平流層空氣的年齡 244
問題 245
文獻 246
第8章 平對流層的交換過程 248
8.1 引言 248
8.2 穿越對流層頂的輸送 250
8.3 BD環流和平對流層交換 252
8.3.1 熱帶上升流 252
8.3.2 熱帶對流層頂層的變化 253
8.3.3 穿越熱帶對流層頂層的交換 254
8.3.4 熱帶外對流層頂層的變化 255
8.4 中緯度對流層頂附近的交換過程 255
8.4.1 阻塞高壓 255
8.4.2 切斷低壓 255
8.4.3 對流層頂折疊 256
8.5 熱帶對流層頂附近的交換過程 257
8.5.1 凍幹過程 258
8.5.2 大氣錄音機 258
8.5.3 平流層噴泉 260
8.5.4 非絕熱環流 261
8.5.5 熱帶對流層頂的熱平衡 261
8.6 平流層下水道 261
8.7 交換的全球尺度動力特徵：熱帶外抽吸 262
8.8 波驅動環流的數學表達 263
問題 265
文獻 265
第9章 平流層對對流層天氣氣候的影響 268
9.1 引言 268
9.2 平對流層相互作用的輻射強迫 269
9.3 波導致的相互作用 270
9.3.1 行星波 271
9.3.2 重力波 271
9.4 准兩年振盪在耦合過程中的作用 272
9.4.1 准兩年振盪對平流層和中間層的作用 273
9.4.2 准兩年振盪對對流層的作用 274
9.4.3 平流層准兩年振盪和對流層兩年振盪 274
9.5 平流層爆發性增溫與平對流層相互作用的聯繫 275
9.5.1 平流層增溫和下行控制理論 275
9.6 平流層極渦和對流層天氣 276
9.7 平對流層耦合和向下傳播 276
9.7.1 北極濤動對氣候的影響 276
9.7.2 環狀模 280
9.8 人類活動的作用 281
9.9 臭氧變化對地表氣候的影響 282
9.10 平流層對自身變率的調製作用 285
9.11 季風對平對流層相互作用的影響 286
9.11.1 平流層准兩年振盪和季風 287
9.12 熱帶對流和水汽強迫 289
9.13 對流層大氣成分 290
9.14 熱帶的擴張 290
9.15 太陽活動對平對流層耦合的強迫 292
9.16 平流層火山氣溶膠 294
9.17 未來情景 295
問題 296
文獻 297
附錄 303