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| 內容簡介： |
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低层大气的温室气体、二氧化碳、水汽、臭氧是怎样进入高层大气的？高层大气又对低层大气起什么样的反馈，二者如何相互作用、相互影响？本书系统描述了大气平流层和对流层的物理、辐射、动力学及化学过程，关注臭氧层、全球变暖对大气层的影响，可应用于大气科学的各个分支，如气候变化、*灾害性天气气候事件、天气预报系统等，描述深入浅出、逻辑清晰易懂，可作为高年级本科生、研究生及相关科研人员的教材参考书。
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| 關於作者： |
作者K. Mohanakumar教授现就职于科钦科技大学大气科学系，曾在德国自由大学访问，是印度地球物理学会会士，印度气象学会的终身会员，发表了文章近百篇，详情请见https：www.researchgate.netprofileK_Mohanakumar。
郭栋博士隶属于南京信息工程大学的大气科学学院、气象灾害教育部重点实验室、气候与环境变化国际合作联合实验室和气象灾害预报预警与评估协同创新中心。郭栋主讲的课程为天气学原理、气象统计方法、An Introduction to Atmospheric Sciences，发表了文章30余篇，主持了国家级项目两项和其他项目10余项。现在的兴趣是平对流层输送对臭氧、水汽和气溶胶分布以及气候变化的影响和太阳活动通过辐射、动力和化学耦合对气候变化的影响。
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| 目錄：
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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
1.1.1生机勃勃的地球2
1.2地球大气的成分3
1.2.1均质层和非均质层的形成4
1.3大气压强5
1.3.1大气压强和密度的垂直结构5
1.4大气的热力结构6
1.4.1对流层6
1.4.2平流层7
1.4.3中间层8
1.4.4热层9
1.4.4外逸层9
1.5高层大气的结构9
1.5.1电离层9
1.5.2等离子层10
1.5.3磁层10
1.6对流层顶11
1.6.1热带对流层顶13
1.6.2对流层顶缩写13
1.6.3动力对流层顶14
1.6.4臭氧对流层顶14
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16
1.7低层大气和中层大气的气候状态16
1.7.1温度16
1.7.2风17
1.7.3日循环19
1.7.4全年振荡19
1.7.5半年振荡19
1.7.6年际与季节内振荡21
1.7.7急流21
1.7.8准两年振荡22
1.7.9平均经向风22
1.7.10纬向平均的质量环流24
1.7.11极地涡旋25
1.8主要的平对流层相互作用事件26
1.8.1极地平流层云26
1.8.2爆发性增温27
1.8.3北极涛动29
1.8.4北大西洋涛动29
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32
1.10.4平流层水汽33
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37
问题38
文献39
第2章低层大气和中层大气中的辐射过程42
2.1引言42
2.2辐射的基本原理42
2.2.1电磁能43
2.2.2辐射能43
2.2.3光度测定和辐射测定45
2.2.4黑体辐射45
2.2.5大气散射48
2.2.6吸收和发射49
2.2.7反射和透射50
2.2.8亮温51
2.2.9太阳常数51
2.2.10反照率51
2.2.11温室效应52
2.3辐射传输53
2.3.1比尔定律54
2.3.2史瓦西定律55
2.3.3太阳辐射吸收和大气加热55
2.3.4辐射盈余与大气加热率57
2.3.5红外辐射加热与冷却58
2.3.6辐射吸收导致的加热59
2.3.7辐射加热的垂直廓线59
2.4太阳辐射和地球大气60
2.4.1太阳辐射的吸收60
2.4.2大气窗63
2.4.3平流层和对流层中太阳辐射的衰减64
2.5大气和其辐射过程65
2.5.1对流层中的辐射过程66
2.5.2平流层中的辐射过程66
2.6平流层冷却67
2.6.1平流层冷却的原因67
2.6.2平流层冷却率69
2.6.3其他影响69
2.7太阳活动对平流层和对流层大气的作用70
问题73
文献74
第3章对流层和平流层的动力过程77
3.1引言77
3.2大气动力过程的基本量77
3.2.1状态方程78
3.2.2流体静力学方程78
3.2.3位势高度79
3.2.4压高方程80
3.3守恒定律80
3.3.1运动方程（动量守恒）80
3.3.2连续方程（质量守恒）82
3.3.3能量守恒84
3.4干洁大气的热力过程86
3.4.1位势温度86
3.4.2大气稳定度87
3.4.3浮力频率87
3.4.4热力学能量方程88
3.5原始方程组89
3.5.1原始方程组的形式89
3.5.2水平运动方程的近似90
3.6风的平衡90
3.6.1地转风91
3.6.2地转偏差91
3.6.3梯度风92
3.6.4地转风和梯度风的联系93
3.6.5热成风93
3.6.6热成风的应用94
3.6.7正压和斜压大气94
3.7环量、涡度和散度95
3.7.1环量95
3.7.2涡度95
3.7.3相对涡度96
3.7.4自然坐标下的涡度96
3.7.5行星涡度96
3.7.6绝对涡度97
3.7.7散度97
3.8保守量97
3.8.1位势涡度98
3.8.2厄特尔位势涡度98
3.9涡度方程99
3.9.1气压坐标系下的涡度方程99
3.9.2简化的涡度方程100
3.9.3准地转涡度方程100
3.9.4准地转位势涡度方程101
3.10中层大气中的平均经圈环流101
3.10.1纬向平均环流102
3.11平均能量的年循环106
问题107
文献108
第4章对流层和平流层的波动110
4.1引言110
4.2波动的定义110
4.3波动的基本属性111
4.4波动的分类113
4.5大气中的波动113
4.5.1声波114
4.5.2兰姆波115
4.5.3浅水重力波115
4.5.4罗斯贝波121
4.6大气重力波125
4.6.1纯重力内波126
4.6.2惯性重力波130
4.6.3波破碎133
4.7行星波强迫135
4.8赤道波动136
4.8.1开尔文波137
4.8.2混合罗斯贝重力波140
4.9大气波动的垂直传播143
4.9.1开尔文波的垂直传播144
4.9.2罗斯贝重力波的垂直传播144
4.10波动垂直传播的能量学145
4.10.1EP方法145
4.10.2查卓理论148
4.10.3林森理论150
4.11准两年振荡的机制150
4.11.1与太阳活动的联系151
4.11.2行星波强迫151
4.11.3行星波理论的局限性152
4.12平流层爆发性增温152
4.12.1增温事件的演变153
4.12.2平流层增温理论153
问题154
文献154
第5章对流层和平流层的化学过程157
5.1引言157
5.2吸收截面158
5.3化学反应动力学158
5.3.1一级反应158
5.3.2二级反应159
5.3.3三体反应159
5.4热解离反应160
5.5连续方程160
5.6臭氧光化学161
5.7CHAPMAN循环的局限性162
5.8反应物和反应速率系数163
5.9臭氧光解164
5.9.1随高度的变化164
5.9.2随纬度的变化164
5.9.3季节变化165
5.9.4日变化165
5.10非均相反应165
5.10.1过氧化氯的臭氧损耗167
5.10.2氯和氮的活化和失活168
5.11催化损耗169
5.11.1氢的催化损耗169
5.11.2甲烷的光解反应170
5.11.3氢自由基的催化循环171
5.11.4氮自由基的催化循环172
5.11.5氮自由基催化反应随温度的变化173
5.11.6氯的源175
5.11.7氯自由基的催化反应175
5.11.8南极臭氧洞和氯自由基的催化反应177
5.11.9溴的源177
5.11.10溴自由基的催化反应178
5.12平流层颗粒物179
5.12.1硫酸盐气溶胶179
5.12.2极地平流层云的化学成分179
5.13对流层化学180
5.13.1对流层化学成分的源180
5.13.2对流层臭氧181
5.13.3对流层甲烷181
5.14大气化学和气候182
5.15大气化学领域的诺贝尔奖186
问题187
文献188
第6章平流层臭氧损耗和南极臭氧洞191
6.1引言191
6.2影响平流层臭氧变率的因素192
6.2.1化学过程192
6.2.2动力过程194
6.2.3平流层温度195
6.2.4大气输运196
6.2.5太阳周期196
6.2.6火山爆发197
6.2.7气溶胶198
6.2.8燃烧对流198
6.2.9极涡198
6.3臭氧损耗基础199
6.3.1极地气象学的特殊性199
6.3.2化学过程导致的极地臭氧损耗199
6.3.3氯自由基的产生200
6.4人类活动对臭氧损耗的作用200
6.4.1氯化物202
6.4.2平流层中的氯氟烃202
6.5南极臭氧洞203
6.5.1南极臭氧洞的发现204
6.5.2臭氧洞理论206
6.5.3动力理论207
6.5.4氮氧化物理论207
6.5.5非均相化学理论207
6.6南极涡旋208
6.6.1极地涡旋的环流场208
6.6.2极夜急流和极地涡旋209
6.6.3温度210
6.6.4南极冬季的低温211
6.6.5位势涡度212
6.6.6加热213
6.6.7输运213
6.6.8垂直运动和臭氧输运214
6.6.9极地涡旋中的化学反应214
6.7南极臭氧洞的结构与变化215
6.7.1水平结构215
6.7.2垂直结构216
6.7.3臭氧探空的垂直廓线217
6.8臭氧220 DU线217
6.9臭氧损耗强度218
6.9.1臭氧洞面积219
6.9.2臭氧总量最小值219
6.9.3臭氧质量赤字219
6.10南极臭氧的年循环219
6.112002年南极臭氧洞异常220
6.11.1南半球的强爆发性增温事件221
6.12北极臭氧洞222
6.13蒙特利尔议定书223
6.13.1修正与调整223
6.13.2蒙特利尔议定书的影响223
6.14目前的臭氧损耗224
6.15未来的臭氧层226
6.15.1全球臭氧恢复的三个阶段226
6.15.2自然因素226
问题227
文献228
第7章对流层和平流层的传输过程231
7.1引言231
7.2BD环流231
7.2.1热带平流层臭氧低值233
7.2.2热带的环流233
7.2.3臭氧输送234
7.2.4热带外的环流234
7.2.5氯氟烃的输送235
7.2.6BD环流的形成235
7.2.7BD环流和辐射平衡237
7.2.8BD环流的半球差异237
7.3大气波动和痕量气体的输送237
7.3.1波动的传播238
7.3.2波动的发展和耗散239
7.3.3波动导致的输送239
7.3.4波动导致的混合240
7.3.5波动对平均环流的影响240
7.4其他因素240
7.5准两年振荡和BD环流240
7.5.1准两年振荡环流241
7.5.2准两年振荡对臭氧输送的影响242
7.6对流
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| 內容試閱：
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前言
平流层过程对调制地球系统的天气与气候有至关重要的作用。太阳辐射是对流层天气系统能量的基本来源，而太阳辐射在通过平流层时被臭氧吸收，因此平流层调制了进入对流层并作用于对流层的太阳辐射。低层大气中，对辐射敏感的温室气体，如水汽、二氧化碳、臭氧，通过平对流层的相互作用维持了大气的辐射平衡。
平流层是包含天气系统的下层大气与富含带电粒子的上层大气相互作用的过渡区域。因此，该层大气存在很多值得探究的基础科学问题，涉及热力结构、能量、大气成分、动力过程、化学过程以及数值模拟领域。尽管下平流层与上对流层的温度特征存在差异，二者还是通过动力、辐射和化学过程紧密的耦合在一起。
平流层的大气干燥、稳定、富含臭氧，温度随着高度增加而上升。下平流层的臭氧吸收了有害的太阳紫外辐射，保护了地球上的生命。而对流层大气湿润、臭氧含量低，温度随高度增加而下降，对流活动旺盛。
平流层变化可以通过与对流层的复杂的辐射和动力相互作用影响气候。入射和出射的辐射通量改变可以导致气候变化。臭氧变化也可能导致平流层风场和温度场的变化，从而通过动力过程影响平对流层的相互作用。
虽然平流层和对流层存在截然相反的特征，但是它们的变化均能影响气候变率。在气候变化和变率研究中，平流层臭氧减少和对流层臭氧增加是非常重要的。平流层臭氧通过平对流层交换过程可以输送至上对流层。臭氧在下平流层吸收紫外辐射，使地气系统保持辐射平衡。因此，研究平对流层相互作用对理解气候变率是十分重要的。
在认识到上述过程对气候系统的重要作用后，世界气候研究计划（World Climate Research Programme, WCRP）在1992年设立了一个研究项目来研究平流层过程及其在气候中的作用（Stratospheric Processes and their Role in Climate, SPARC）。SPARC的研究包括建立平流层的气候参考状态，加深对温度、臭氧和水汽变化趋势的理解。该项目的基本目标是帮助平流层研究人员聚焦气候热点问题。本书中涵盖了SPARC中的大部分主题，其作为SPARC相关研究人员的参考书目应该是有益的。
本书描述了平对流层耦合中的物理、辐射、动力以及化学过程。本书可用于本科生和研究生的大气科学、中层大气、平流层物理学、大气动力学课程中，并且对气象学、高层大气、大气物理学、大气化学以及环境科学领域的研究人员均有所帮助。当前的研究热点，如南极臭氧洞、全球变暖对平流层冷却的作用、平流层对气候变化的影响，在本书中也有所涉及。另外，平对流层交换、上对流层和下平流层的输送过程和平流层对对流层天气系统的作用在书中也进行了描述。本书对大气科学的其他分支，如气候变化和极端天气事件，甚至是对流层天气系统的预测，也有参考价值。
科钦，印度
K.Mohanakumar
译者序
2008年，中国南方出现了大规模的冰冻雨雪灾害。其中的四次天气过程均被气象部门预报出来了，然而四次过程的连续出现出乎了气象部门的预料。由于受灾范围广，灾情严重，气象部门备受指责。后来有许多学者分析了其原因，有些学者认为四次过程连续发生，可能与平流层异常下传有关。当时，我正在中国气象局客座学习，攻读博士学位。因此，很自然地，我对平对流层相互作用发生了兴趣，并一直持续到现在。
平对流层相互作用涵盖了动力、化学、辐射、云微物理等许多过程，这些过程强烈的耦合在一起。有大量书籍涉及了其中的某个过程，然而没有一本较全面介绍平对流层相互作用中各种过程的参考书，这对该方向的发展是极为不利的。幸运的是，恰好在2008年，K.Mohanakumar教授的《Stratosphere Troposphere Interaction》在Springer出版社出版了。我读完后就萌生了翻译该书的念头，但是当时学术基础还不扎实，也没有大量的时间，就一直搁置了。直到2015年，我赴美留学。这时自己做了7年相关工作，也有了些可支配的时间，于是我决定翻译本书。
在翻译本书时，得到了许多的帮助和鼓励，我非常感激。感谢编辑李敏老师付出的大量辛劳。感谢施春华老师向我介绍了这本书。感谢施春华老师、刘仁强老师、张峰老师和胡定珠老师在本书翻译过程中的大量讨论。感谢周秀骥先生、李维亮先生、刘煜老师和徐建军老师在本书翻译时给予的鼓励和指导。感谢覃皓、金鑫、刘琨、罗无边、付焱焱、苏昱丞等同学的帮助。感谢我家人的支持和付出，特别是爱人冷莹，照顾好了整个大家庭，并一直鼓励着我，直到翻译工作的完成。
另外，本书还得到了自然科学基金（41675039、41305039、91537213、41375047）和江苏高校优势学科建设工程项目（PAPD）的支持，在此也一并表示感谢。
郭栋
2016年10月
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