本书描述了平流层与对流层相互作用的辐射、动力、化学过程，并将其与天气、气候联系在一起。第1章介绍了对流层和平流层的气候特征及平流层与对流层的一些特殊天气、气候现象。第2-6章对平流层与对流层的辐射、动力、化学过程的基本原理做了详细介绍。第7章和第8章介绍了平流层与对流层的传输和交换过程。第9章介绍了平流层对对流层天气、气候的影响。

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

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、印度气象学会终身会员，有25年以上大气科学教学经验，发表文章近百篇。

译者简介：

郭栋博士

从事大气环境与气候变化、中层与行星大气物理、青藏高原气象学与气候学等方面的研究工作，比较系统地研究了青藏高原臭氧谷的现象、机制与气候效应，发表和录用文章近60篇，主持国家自然科学基金2项，是江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象。现任南京信息工程大学大气科学学院气候学系主任和雷丁学院院长助理（挂职）。

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
4．10．1 EP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
5．7 CHAPMAN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
6．11 2002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
7．2 BD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
7．2．6 BD环流的形成 235
7．2．7 BD环流和辐射平衡 237
7．2．8 BD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 对流层经圈环流 243
7．7 平流层和中间层平均经圈环流 243
7．8 平流层空气的年龄 244
问题 245
文献 246
第8章 平对流层的交换过程 248
8．1 引言 248
8．2 穿越对流层顶的输送 250
8．3 BD环流和平对流层交换 252
8．3．1 热带上升流 252
8．3．2 热带对流层顶层的变化 253
8．3．3 穿越热带对流层顶层的交换 254
8．3．4 热带外对流层顶层的变化 255
8．4 中纬度对流层顶附近的交换过程 255
8．4．1 阻塞高压 255
8．4．2 切断低压 255
8．4．3 对流层顶折叠 256
8．5 热带对流层顶附近的交换过程 257
8．5．1 冻干过程 258
8．5．2 大气录音机 258
8．5．3 平流层喷泉 260
8．5．4 非绝热环流 261
8．5．5 热带对流层顶的热平衡 261
8．6 平流层下水道 261
8．7 交换的全球尺度动力特征：热带外抽吸 262
8．8 波驱动环流的数学表达 263
问题 265
文献 265
第9章 平流层对对流层天气气候的影响 268
9．1 引言 268
9．2 平对流层相互作用的辐射强迫 269
9．3 波导致的相互作用 270
9．3．1 行星波 271
9．3．2 重力波 271
9．4 准两年振荡在耦合过程中的作用 272
9．4．1 准两年振荡对平流层和中间层的作用 273
9．4．2 准两年振荡对对流层的作用 274
9．4．3 平流层准两年振荡和对流层两年振荡 274
9．5 平流层爆发性增温与平对流层相互作用的联系 275
9．5．1 平流层增温和下行控制理论 275
9．6 平流层极涡和对流层天气 276
9．7 平对流层耦合和向下传播 276
9．7．1 北极涛动对气候的影响 276
9．7．2 环状模 280
9．8 人类活动的作用 281
9．9 臭氧变化对地表气候的影响 282
9．10 平流层对自身变率的调制作用 285
9．11 季风对平对流层相互作用的影响 286
9．11．1 平流层准两年振荡和季风 287
9．12 热带对流和水汽强迫 289
9．13 对流层大气成分 290
9．14 热带的扩张 290
9．15 太阳活动对平对流层耦合的强迫 292
9．16 平流层火山气溶胶 294
9．17 未来情景 295
问题 296
文献 297
附录 303