大气辐射传输原理

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

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。