全球变化与地球系统科学系列：大气辐射传输原理 [Theory of Atmospheric Radiative Transfer] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 温迪施，杨平 著，李正强，李莉，许华 等 译

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• 大气辐射
• 辐射传输
• 地球系统科学
• 大气科学
• 气候变化
• 遥感
• 大气物理
• 环境科学
• 物理学
• 光学

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040395273

版次：1

商品编码：11496601

包装：平装

丛书名： 全球变化与地球系统科学系列

外文名称：Theory of Atmospheric Radiative Transfer

开本：16开

出版时间：2014-06-01

用纸：胶版纸

页数：300

字数：38000

内容简介

　　大气辐射传输是大气辐射和遥感领域的核心基础课程，《全球变化与地球系统科学系列：大气辐射传输原理》基于作者温迪施、杨平在德国和美国多年讲授这门课程的经验和相关科研成果积累，旨在全面而简明地介绍大气辐射传输的公式，尤其是说明与大气中电磁辐射的单次散射、多次散射、吸收和发射相关的整个物理过程。
　　全书共分9章：第1章主要介绍大气辐射收支概况；第2章给出了《全球变化与地球系统科学系列：大气辐射传输原理》使用的物理量纲、符号、规则和约定，并简要回顾了相关数学知识；第3章介绍电磁辐射的基本概念和基本定律；第4章主要讨论电磁辐射与单粒子的相互作用；第5章进一步介绍了体散射、吸收和消光特性，即电磁辐射与粒子群的相互作用；第6章主要讲述电磁辐射传输方程，包括动态和静态、三维和一维辐射传输方程的推导；第7章讨论了辐射传输方程的几种常见数值和近似解法；第8章主要讨论大气分子的吸收与发射：第9章讲述地球辐射的传输。
　　《全球变化与地球系统科学系列：大气辐射传输原理》可作为大气辐射和遥感相关专业高年级本科生和研究生的专业基础课教学用书，也可作为大气辐射、遥感应用、地球物理、地球化学、天文学、环境科学和光谱学等领域科研人员的参考书。

目录

第1章 引言
1.1 大气辐射简介
1.2 大气辐射收支概略图
1.3 无云大气中的太阳和地球热红外光谱
1.4 温室效应
1.5 与天基观测的关联

第2章 符号和数学知识回顾
2.1 物理量纲及前缀
2.2 一些规则和约定
2.3 向量代数简介
2.3.1 主要向量运算
2.3.2 使用下标记号
2.4 狄拉克δ函数
2.5 几何学
2.5.1 方向
2.5.2 立体角
2.5.3 两个方向的夹角
2.6 正交函数
2.6.1 勒让德多项式
2.6.2 勒让德函数
2.7 求积公式
习题

第3章 基本原理
3.1 电磁辐射
3.1.1 麦克斯韦方程组及其平面波解
3.1.2 波长、频率、波数、色散关系和相速度
3.1.3 相干、非相干和偏振
3.1.4 波粒二象性
3.1.5 大气的电磁辐射光谱
3.2 基本辐射量
3.2.1 辐射通量、辐射通量密度和辐亮度
3.2.2 辐射能量密度和辐亮度
3.2.3 辐照度、辐出度、出射度和光化辐射
3.2.4 上行、下行和净光化通量密度与辐亮度的关系
3.2.5 各向同性辐射场
3.2.6 反射率、吸收率和透射率
3.3 黑体和灰体辐射：基本定律
3.3.1 普朗克定律
3.3.2 维恩位移定律
3.3.3 斯特藩-玻尔兹曼定律
3.3.4 瑞利-金斯近似和维恩近似
3.3.5 发射率和基尔霍夫定律
习题

第4章 电磁辐射与单粒子的相互作用
4.1 概述
4.2 复折射指数
4.3 电场矢量分解
4.4 复振幅散射矩阵
4.5 斯托克斯矢量
4.6 偏振度
4.7 穆勒矩阵
4.8 单粒子光学特性
4.8.1 光学参数
4.8.2 光学定理
4.9 球形粒子的洛伦茨米理论
4.9.1 假设和目的
4.9.2 效率因子
4.9.3 单次散射消光比
4.9.4 复振幅散射矩阵元素
4.9.5 穆勒矩阵元素
4.9.6 偏振
4.9.7 非偏振入射辐射的相函数
4.9.8 不对称因子
4.10 瑞利散射和振荡电偶极子
4.10.1 复振幅散射矩阵和穆勒矩阵
4.10.2 偏振度
4.10.3 非偏振入射辐射的瑞利相函数
4.10.4 散射截面和效率因子
4.10.5 消光和吸收截面及效率因子
4.10.6 瑞利散射作为洛伦茨-米理论的近似
4.10.7 大气中的瑞利散射
4.11 非球形粒子散射
4.11.1 解析法
4.11.2 穆勒矩阵
4.11.3 相函数
4.11.4 光学特性
4.12 大粒子散射的几何光学方法
4.12.1 在平面界面上反射和透射引起的方向改变：斯涅耳定律
4.12.2 n2定律
4.12.3 反射和透射的菲涅耳公式
4.12.4 平面界面透射的辐射能量变化
4.12.5 平面界面反射的辐射能量变化
4.12.6 射线追踪技术
4.12.7 衍射
4.13 虹和晕
习题

第5章 体光学特性
5.1 粒子尺度分布
5.1.1 解析描章
5.1.2 体微物理参数
5.1.3 参数化
5.2 体散射、吸收和消光
习题

第6章 辐射传输方程
6.1 光学厚度
6.2 朗伯-布格定律
6.2.1 微分形式和指数形式
6.2.2 在直射太阳辐照度中的应用
6.3 辐射传输方程的一般形式
6.3.1 光谱光子密度函数
6.3.2 散射介质中的辐射传输方程
6.3.3 光子收支方程
6.3.4 总辐亮度的动态和静态三维辐射传输方程
6.3.5 漫射辐亮度的三维静态辐射传输方程
6.4 水平均匀大气的一维辐射传输方程
6.4.1 独立变量
6.4.2 漫射辐亮度的一维辐射传输方程标准形式
6.4.3 下行漫射辐亮度
6.4.4 上行辐亮度
习题

第7章 辐射传输方程的数值和近似解法
7.1 勒让德展开和傅里叶展开
7.1.1 相函数的勒让德多项式展开
7.1.2 相函数截断和相似性原理
7.1.3 大气的角坐标系
7.1.4 Delta-M和Delta-Fit方法
7.1.5 漫射辐亮度和辐照度的傅里叶展开
7.2 漫射辐亮度的傅里叶系数方程
7.2.1 非吸收大气中的净辐射通量密度
7.3 逐次散射法
7.4 累加-倍加法
7.4.1 基本原理
7.4.2 辐亮度的一般形式
7.4.3 通量密度计算中的应用
7.5 离散纵标法
7.6 球谐函数法
7.7 蒙特卡罗方法
7.7.1 基本原理
7.7.2 后向（反向）蒙特卡罗方法
7.8 二流近似
7.8.1 经典表述
7.8.2 基于辐射传输方程的二流近似
习题

第8章 大气分子的吸收与发射
8.1 光子与气体分子的相互作用
8.1.1 分子能量形式
8.1.2 光子的吸收与发射
8.1.3 量子化的能量和频率
8.1.4 热平衡下的能级概率
8.2 能级跃迁的例子
8.2.1 气体分子的结构
8.2.2 分子转动能
8.2.3 分子振动能
8.3 单原子分子谱线
8.3.1 分子的电子轨道能
8.3.2 氢原子谱线
8.4 分子吸收和发射谱线
8.4.1 分子转动光谱
8.4.2 分子的电子轨道能和转动能比较
8.4.3 双原子分子的振动光谱
8.4.4 分子振一转光谱
8.5 大气气体光谱举例
8.5.1 三种常见光谱
8.5.2 红外谱区的组合振-转跃迁
8.5.3 近红外到可见光区光谱
8.5.4 可见光到紫外光区光谱——电子轨道跃迁
8.6 吸收和发射线型的近似
8.6.1 吸收谱线的洛伦兹线型——碰撞增宽
8.6.2 热多普勒线型
8.6.3 沃伊特线型——碰撞和多普勒效应混合增宽
8.7 光谱透射率和吸收率
8.7.1 弱线近似和强线近似
8.7.2 逐线法
8.7.3 带模式
8.7.4 非均匀大气路径的近似调整
8.7.5 南分布法
8.7.6 相关南分布法
8.7.7 相关七分布法在卫星遥感中的应用
习题

第9章 地球辐射的传输
9.1 下行光谱辐射
9.1.1 下行漫射辐亮度
9.1.2 下行漫射辐照度
9.2 上行光谱辐射
9.2.1 上行漫射辐亮度
9.2.2 上行漫射辐照度
9.3 模拟光谱示例
9.3.1 下行和上行辐亮度
9.3.2 卷云对地球光谱辐照度的影响
9.4 宽带地球辐射传输
9.4.1 卷云对辐照度的影响
9.4.2 辐射致冷与辐射加热
习题

附录A 缩写、符号和常数
A.1 缩写词
A.2 下标和上标
A.3 希腊字符
A.4 拉丁字符
A.5 物理常数
A.6 数学常数
参考文献
索引

全球变化与地球系统科学系列：大气辐射传输原理 [Theory of Atmospheric Radiative Transfer] 简介 本书是“全球变化与地球系统科学系列”中的重要一卷，专注于系统阐述大气辐射传输这一地球系统科学的核心基础理论。本书旨在为读者，特别是地球科学、大气科学、遥感科学以及相关工程领域的专业人士和高年级学生，提供一个全面、深入且严谨的辐射传输理论框架。 核心内容概述 本书系统地构建了描述太阳辐射和地球自身发射（或反射）的辐射能量如何在地球大气中传播、吸收、散射和发射的数学模型与物理机制。全书内容紧密围绕辐射传输方程（Radiative Transfer Equation, RTE）的建立、求解及其在实际大气环境中的应用展开。 第一部分：辐射传输的基础物理与数学框架 本书开篇即为读者打下坚实的理论基础。首先，系统回顾了电磁波辐射的基本概念，包括辐射强度、辐亮度、辐照度、辐射量等核心物理量及其在不同坐标系下的表示方法。重点阐述了辐射传输方程的物理意义，即能量如何在空间中沿着光线路径的变化规律。 随后，本书详细推导了经典的辐射传输方程。这一推导过程不仅展示了大气中辐射能量的增益（源项，主要来自辐射发射）和损失（损耗项，主要来自吸收与散射），还细致区分了直接辐射、散射辐射和被吸收辐射的贡献。读者将学习如何将复杂的、具有方向性的辐射传输问题转化为可以求解的积分微分方程。 第二部分：大气辐射过程的微观基础——吸收与散射 辐射传输的精髓在于对大气中介质与电磁波相互作用的精确描述。本书用了大量篇幅深入探讨了大气吸收和散射的微观机制。 大气吸收： 详细分析了大气中主要吸收气体——水汽、二氧化碳、臭氧等——的吸收光谱特性。内容涵盖了分子吸收的量子力学基础，包括能级跃迁的概念。特别关注了吸收带的强度、半高宽和中心频率的精确计算方法，并引入了诸如HITRAN等标准数据库的概念及其在辐射计算中的应用。对于连续吸收，如水汽的“水带”吸收，也进行了深入探讨。 大气散射： 散射是影响大气辐射传输最关键的过程之一。本书将散射分为两大类进行解析： 1. 分子散射（瑞利散射）： 详细分析了气体分子对电磁波的散射，阐述了散射截面与波长的关系（$lambda^{-4}$ 律），这是解释天空背景蓝色的关键。 2. 气溶胶散射（米氏散射及其他）： 气溶胶是大气中复杂多变的散射中心。本书详细介绍了米氏散射理论，解释了不同粒径和折射率的气溶胶粒子对辐射传输的影响。对于更复杂或混合粒子体系，则引入了离散坐标法（Discrete Ordinate Method, DOM）等数值计算方法的理论基础。 第三部分：辐射传输方程的求解与近似方法 理论上，完整的辐射传输方程是一个复杂的积分微分方程，在真实大气中通常无法解析求解。因此，本书重点介绍了多种高效的数值求解方法和必要的理论近似。 解析解与近似方法： 讨论了在特定简化条件下（如均匀介质、只考虑一次散射等）的解析解，但更侧重于实际应用中的有效方法。 数值方法： 详细介绍了求解RTE的主流数值方法。这包括： 离散坐标法（DOM）： 阐述了如何将RTE在角度空间离散化，并与吸收/散射项耦合，是目前高精度辐射模型的核心方法之一。 叠加法（Adding Method）和分解法（Doubling Method）： 重点介绍这两种高效的、用于求解具有水平层结构大气（如标准大气）辐射问题的算法，特别适用于计算地表/云层边界处的辐射通量。 第四部分：辐射传输在地球系统中的应用 本书的最后部分将理论模型与实际应用相结合，展示辐射传输理论如何服务于全球变化科学与遥感技术。 辐射平衡计算： 阐述了如何利用已建立的传输模型计算大气顶部的净短波辐射通量和大气层内、地表的净长波辐射通量，从而构建地球系统的能量平衡框架。 遥感反演的基础： 深入探讨了辐射传输模型在遥感中的作用。从遥感传感器的视角，分析了不同观测几何（ nadir, limb, zenith）下辐射信号的特点。这包括如何利用辐射模型将观测到的上行辐射亮度反演到地表或大气中的物理量（如温度、水汽含量、气溶胶光学厚度等）。 复杂介质的处理： 针对云、雪、冰等复杂散射体的处理，介绍了相函数（Phase Function）的概念及其对散射特性的影响，以及在辐射计算中如何处理这些强散射体。 本书结构严谨，逻辑清晰，理论推导详实，既保留了辐射传输理论的严密性，又充分考虑了其在现代地球科学研究与技术应用中的实践性。通过对吸收、散射、传输方程的精细刻画，读者将能够建立起对地球大气能量收支动态过程的深刻理解。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对自然科学充满浓厚兴趣的业余爱好者，平日里喜欢通过阅读来拓展自己的知识边界。这本书的题目，大气辐射传输，听起来就充满了科学的魅力。我常常在想，为什么不同季节的阳光强度会有如此大的差异？为什么白天热晚上凉？这些变化都与太阳辐射以及大气对它的处理方式息息相关。我希望这本书能够用生动形象的比喻和清晰的图示，来解释这些复杂的物理过程。例如，书中是否会介绍一些关于辐射能量的“旅行”的故事，从太阳出发，经过真空，穿过大气，最终抵达地面，在这个过程中，它经历了怎样的“遭遇”？我期待它能够帮助我理解，诸如温室效应这样的概念，到底是如何形成的，以及它对我们地球的气候又会产生怎样的长远影响。这本书的出现，无疑为我提供了一个深入探索地球能量秘密的绝佳机会。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对基础物理学充满好奇的学生，而大气辐射传输这个领域，对我来说既陌生又迷人。书名《全球变化与地球系统科学系列》中的“全球变化”几个字，就足以引起我对于地球未来命运的思考，而“大气辐射传输原理”则像一把钥匙，能够解锁我对这些变化的深层理解。我设想这本书会从最基本的电磁辐射理论讲起，逐步深入到大气成分对辐射的影响，以及能量如何在地球-大气系统中进行交换。我希望它能够用一种相对易懂的方式，解释黑体辐射、吸收、散射、发射等基本概念，并清晰地展示这些概念如何在大气中体现出来。比如，为什么天空是蓝色的？日出日落时天空的颜色为何不同？这些看似寻常的自然现象，背后都蕴含着深刻的辐射传输原理。我希望这本书能够激发我对天体物理和大气科学的兴趣，为我未来选择专业方向提供一些启示。

评分☆☆☆☆☆

作为一个长期从事遥感应用的工程师，我对于能够精确模拟和理解大气辐射传输过程的书籍一直抱有极高的热情。在实际工作中，我们常常需要处理卫星遥感数据，而这些数据在到达传感器之前，都会经历一个复杂的大气传输过程，其中辐射传输扮演着至关重要的角色。如果大气辐射传输模型不够精确，那么我们从遥感数据中获取的地表信息就会存在较大的偏差，影响到植被监测、地表温度反演、水文分析等一系列应用。我希望这本书能够提供最新的研究进展和实用的算法，例如，针对不同类型云的辐射传输参数化方案，或者在高分辨率大气模型中如何更有效地处理辐射传输计算。我特别关注书中是否会涉及如何利用先进的计算方法，如蒙特卡洛模拟或离散纵标法，来解决复杂的辐射传输方程。如果这本书能够提供丰富的案例研究，展示这些原理如何在实际的遥感应用中得到体现，那就更加完美了。

评分☆☆☆☆☆

这本《全球变化与地球系统科学系列：大气辐射传输原理》的封面设计就透着一股严谨而深邃的气息，深蓝色的背景仿佛是浩瀚的宇宙，点缀着几缕抽象的能量轨迹，让人在翻开书页之前，就对其内容充满了好奇与期待。我一直对气候变化以及地球如何维持能量平衡这个问题很感兴趣，而大气辐射传输无疑是理解这一切的关键。想象一下，太阳的光芒穿越大气层，一部分被散射，一部分被吸收，又有一部分抵达地表，这一切的能量交换过程，构成了我们赖以生存的环境。我希望这本书能够为我揭示这些现象背后的科学原理，例如，不同波长的辐射在穿过大气时，是如何与水汽、二氧化碳、臭氧等气体发生相互作用的？云层对辐射的反射和吸收又会产生怎样的影响？这本书的出版，对于我这样的跨学科研究者来说，无疑是一次宝贵的学习机会，能够帮助我更深入地理解地球系统的运作机制，进而为解决全球性环境问题提供更坚实的理论基础。我非常期待它能够提供清晰的数学模型和严谨的推导过程，让我能够真正掌握这门学科的核心知识。

评分☆☆☆☆☆

作为一位对可持续发展和气候建模领域充满热情的科研人员，我一直致力于寻找能够为我的研究提供坚实理论支撑的书籍。大气辐射传输是气候模型中不可或缺的核心模块之一，它直接决定了模型对地表能量收支的计算精度，进而影响到对未来气候变化的预测。我非常关注书中是否会提供关于长波辐射和短波辐射传输过程的详细描述，以及如何将这些物理过程有效地融入到数值模型中。例如，书中是否会介绍气溶胶和云的辐射效应的最新进展，以及这些不确定性因素如何影响气候模拟的精度？我期待这本书能够涵盖最新的辐射传输算法和参数化方案，例如，与多相气溶胶、非球形粒子或复杂云微物理过程相关的辐射传输处理。如果书中还能提供关于辐射传输模型验证和评估的讨论，那就更具价值了，能够帮助我更好地理解不同模型的优劣。

评分☆☆☆☆☆

感觉难度有点大，不适合初学者

评分☆☆☆☆☆

挺好的书籍。专业课教师，严重推荐。

评分☆☆☆☆☆

还行，但内容不多~~~

评分☆☆☆☆☆

正版图书，质量不错。

评分☆☆☆☆☆

看了下挺好的，入门读物

评分☆☆☆☆☆

还行，但内容不多~~~

评分☆☆☆☆☆

不错

评分☆☆☆☆☆

书不错

评分☆☆☆☆☆

好好好好好好好好好好好