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第1章 引言1

1.1 大气辐射简介1

1.2 大气辐射收支概略图3

1.3 无云大气中的太阳和地球热红外光谱5

1.4 温室效应7

1.5 与天基观测的关联9

第2章 符号和数学知识回顾10

2.1 物理量纲及前缀10

2.2 一些规则和约定12

2.3 向量代数简介12

2.3.1 主要向量运算12

2.3.2 使用下标记号14

2.4 狄拉克δ函数16

2.5 几何学18

2.5.1 方向18

2.5.2 立体角18

2.5.3 两个方向的夹角20

2.6 正交函数21

2.6.1 勒让德多项式21

2.6.2 勒让德函数22

2.7 求积公式24

习题25

第3章 基本原理26

3.1 电磁辐射26

3.1.1 麦克斯韦方程组及其平面波解26

3.1.2 波长、频率、波数、色散关系和相速度28

3.1.3 相干、非相干和偏振29

3.1.4 波粒二象性30

3.1.5 大气的电磁辐射光谱30

3.2 基本辐射量32

3.2.1 辐射通量、辐射通量密度和辐亮度32

3.2.2 辐射能量密度和辐亮度34

3.2.3 辐照度、辐出度、出射度和光化辐射35

3.2.4 上行、下行和净光化通量密度与辐亮度的关系36

3.2.5 各向同性辐射场38

3.2.6 反射率、吸收率和透射率39

3.3 黑体和灰体辐射：基本定律39

3.3.1 普朗克定律39

3.3.2 维恩位移定律40

3.3.3 斯特藩-玻尔兹曼定律42

3.3.4 瑞利-金斯近似和维恩近似43

3.3.5 发射率和基尔霍夫定律43

习题46

第4章 电磁辐射与单粒子的相互作用51

4.1 概述51

4.2 复折射指数52

4.3 电场矢量分解54

4.4 复振幅散射矩阵55

4.5 斯托克斯矢量55

4.6 偏振度57

4.7 穆勒矩阵58

4.8 单粒子光学特性61

4.8.1 光学参数61

4.8.2 光学定理64

4.9 球形粒子的洛伦茨-米理论66

4.9.1 假设和目的66

4.9.2 效率因子67

4.9.3 单次散射消光比68

4.9.4 复振幅散射矩阵元素69

4.9.5 穆勒矩阵元素70

4.9.6 偏振70

4.9.7 非偏振入射辐射的相函数72

4.9.8 不对称因子73

4.10 瑞利散射和振荡电偶极子74

4.10.1 复振幅散射矩阵和穆勒矩阵74

4.10.2 偏振度76

4.10.3 非偏振入射辐射的瑞利相函数76

4.10.4 散射截面和效率因子78

4.10.5 消光和吸收截面及效率因子78

4.10.6 瑞利散射作为洛伦茨-米理论的近似79

4.10.7 大气中的瑞利散射80

4.11 非球形粒子散射82

4.11.1 解析法82

4.11.2 穆勒矩阵83

4.11.3 相函数84

4.11.4 光学特性86

4.12 大粒子散射的几何光学方法88

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90

4.12.2 n2定律94

4.12.3 反射和透射的菲涅耳公式95

4.12.4 平面界面透射的辐射能量变化97

4.12.5 平面界面反射的辐射能量变化99

4.12.6 射线追踪技术102

4.12.7 衍射104

4.13 虹和晕110

习题113

第5章 体光学特性119

5.1 粒子尺度分布119

5.1.1 解析描述119

5.1.2 体微物理参数120

5.1.3 参数化121

5.2 体散射、吸收和消光122

习题126

第6章 辐射传输方程127

6.1 光学厚度128

6.2 朗伯-布格定律128

6.2.1 微分形式和指数形式128

6.2.2 在直射太阳辐照度中的应用130

6.3 辐射传输方程的一般形式131

6.3.1 光谱光子密度函数131

6.3.2 散射介质中的辐射传输方程133

6.3.3 光子收支方程136

6.3.4 总辐亮度的动态和静态三维辐射传输方程137

6.3.5 漫射辐亮度的三维静态辐射传输方程137

6.4 水平均匀大气的一维辐射传输方程140

6.4.1 独立变量140

6.4.2 漫射辐亮度的一维辐射传输方程标准形式140

6.4.3 下行漫射辐亮度144

6.4.4 上行辐亮度148

习题152

第7章 辐射传输方程的数值和近似解法155

7.1 勒让德展开和傅里叶展开155

7.1.1 相函数的勒让德多项式展开155

7.1.2 相函数截断和相似性原理157

7.1.3 大气的角坐标系160

7.1.4 Delta-M和Delta-Fit方法163

7.1.5 漫射辐亮度和辐照度的傅里叶展开167

7.2 漫射辐亮度的傅里叶系数方程168

7.2.1 非吸收大气中的净辐射通量密度169

7.3 逐次散射法172

7.4 累加倍加法175

7.4.1 基本原理175

7.4.2 辐亮度的一般形式177

7.4.3 通量密度计算中的应用183

7.5 离散纵标法186

7.6 球谐函数法190

7.7 蒙特卡罗方法194

7.7.1 基本原理194

7.7.2 后向（反向）蒙特卡罗方法197

7.8 二流近似203

7.8.1 经典表述203

7.8.2 基于辐射传输方程的二流近似207

习题210

第8章 大气分子的吸收与发射212

8.1 光子与气体分子的相互作用212

8.1.1 分子能量形式212

8.1.2 光子的吸收与发射213

8.1.3 量子化的能量和频率214

8.1.4 热平衡下的能级概率214

8.2 能级跃迁的例子216

8.2.1 气体分子的结构216

8.2.2 分子转动能216

8.2.3 分子振动能217

8.3 单原子分子谱线218

8.3.1 分子的电子轨道能218

8.3.2 氢原子谱线218

8.4 分子吸收和发射谱线222

8.4.1 分子转动光谱223

8.4.2 分子的电子轨道能和转动能比较224

8.4.3 双原子分子的振动光谱226

8.4.4 分子振-转光谱227

8.5 大气气体光谱举例230

8.5.1 三种常见光谱230

8.5.2 红外谱区的组合振-转跃迁230

8.5.3 近红外到可见光区光谱233

8.5.4 可见光到紫外光区光谱——电子轨道跃迁234

8.6 吸收和发射线型的近似236

8.6.1 吸收谱线的洛伦兹线型——碰撞增宽236

8.6.2 热多普勒线型236

8.6.3 沃伊特线型——碰撞和多普勒效应混合增宽237

8.7 光谱透射率和吸收率239

8.7.1 弱线近似和强线近似239

8.7.2 逐线法242

8.7.3 带模式242

8.7.4 非均匀大气路径的近似调整244

8.7.5 k分布法245

8.7.6 相关k分布法247

8.7.7 相关k分布法在卫星遥感中的应用248

习题250

第9章 地球辐射的传输252

9.1 下行光谱辐射253

9.1.1 下行漫射辐亮度253

9.1.2 下行漫射辐照度259

9.2 上行光谱辐射263

9.2.1 上行漫射辐亮度263

9.2.2 上行漫射辐照度264

9.3 模拟光谱示例265

9.3.1 下行和上行辐亮度265

9.3.2 卷云对地球光谱辐照度的影响266

9.4 宽带地球辐射传输267

9.4.1 卷云对辐照度的影响267

9.4.2 辐射致冷与辐射加热269

习题273

附录A 缩写、符号和常数275

A.1 缩写词275

A.2 下标和上标276

A.3 希腊字符278

A.4 拉丁字符280

A.5 物理常数284

A.6 数学常数284

参考文献285

索引297