Radiative Transfer in Scattering and Absorbing Atmospheres pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Lenoble, Jacqueline (EDT)

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价格:73

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isbn号码:9780937194058

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• 大气辐射传输
• 散射
• 吸收
• 大气物理
• 辐射传输
• 大气光学
• 遥感
• 大气科学
• 物理学
• 环境科学

气象光学与大气辐射：从基础原理到前沿应用 本书旨在为大气科学、物理学、环境工程以及遥感技术领域的专业人士和高级学生提供一个全面、深入且具有高度实践指导意义的理论框架和应用指南。 本书聚焦于地球大气层中辐射传输现象的物理机制、数学描述以及实际应用，涵盖了从基础的电磁波理论到复杂多相介质中辐射传递模型的构建与求解。不同于传统的辐射传输教科书，本书强调将理论与现代观测技术和数值模拟方法紧密结合，力求在阐述严谨物理概念的同时，突出其在气候变化、环境监测和空间探测等前沿领域中的实际价值。 --- 第一部分：辐射传输的基础理论与数学框架 本部分为全书的理论基石，详细阐述了描述大气中光与物质相互作用所需的基本物理量和数学工具。 第一章：电磁波在介质中的传播基础 本章首先回顾了麦克斯韦方程组在非均匀介质中的应用，重点讨论了平面波、球面波的传播特性，以及波的偏振态（如斯托克斯参量、琼斯矩阵）在穿过具有各向异性的介质时如何演变。随后，引入了辐射强度、辐射密度、辐亮度（Radiance）等核心概念，并明确了它们之间的物理联系和单位标准。对于涉及大气光学的问题，电磁波的复振幅和波数向量在复杂环境下的表达方式进行了深入探讨，为后续的散射理论奠定基础。 第二章：大气辐射传输方程的建立与解析 本章的核心是推导和阐释辐射传输方程（Radiative Transfer Equation, RTE）。我们将从能量守恒和光子平衡的角度，详细构建描述辐射在吸收、散射介质中随路径变化的微分方程。章节重点分析了 RTE 的各项组成部分：辐射源项（太阳直接辐射、地表反射辐射）、吸收项（由气体分子和气溶胶粒子引起）以及散射项（描述了辐射方向的改变）。同时，本书还将专门辟出一个小节，讨论在特定简化条件下（如纯吸收、各向同性散射）RTE 的解析解，例如在均匀介质中考虑边界条件的简单情况，为理解复杂模型提供直观的认识。 第三章：辐射传输中的介质特性描述 准确描述大气中的吸收和散射过程是求解RTE的关键。本章深入探讨了介质光学性质的参数化。 吸收特性： 详细分析了大气主要吸收气体（水蒸气、二氧化碳、臭氧等）的吸收谱线结构，包括多普勒展宽、洛伦兹展宽和压力展宽效应，并引入了HITRAN等数据库的应用范例。讨论了宽带（如大气窗口）和窄带（如特定谱线）吸收模型的选择与转换。 散射特性： 区分了分子散射（瑞利散射）和气溶胶散射。瑞利散射部分，侧重于解释其与波长的幂律关系和偏振特性。对于气溶胶散射，本书侧重于非球形粒子对辐射传输的影响，引入了复折射指数、粒径分布（如Lognormal分布）的概念，并详述了米氏（Mie）散射理论在计算单次散射介质响应中的核心地位。 --- 第二部分：复杂散射介质中的辐射传输模型 本部分聚焦于如何处理大气中广泛存在的复杂、多相、非均匀的散射和吸收环境，这是现代辐射传输研究的难点和重点。 第四章：单次散射与多重散射的区分与量化 本章明确区分了单次散射（光子只与介质相互作用一次）与多重散射（光子在介质中多次散射）。单次散射模型（如利用相位函数和单次散射反照率）在分析高层稀薄大气或特定角度观测时非常有效。然而，本书将大量篇幅用于多重散射的数值方法。引入了介质的“光学厚度”作为判断单双次散射重要性的关键判据。 第五章：数值求解辐射传输方程的现代方法 由于多数实际大气情景下的RTE无法解析求解，本章系统介绍当前主流的数值技术。 离散纵向辐射传输（Discrete Ordinate Method, DOM）：详细阐述如何将连续的方位角和天顶角离散化，并通过矩阵运算求解。重点分析了不同离散阶数对精度和计算效率的影响。 蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）方法：作为处理复杂边界条件和非均匀介质的“黄金标准”，本书详细讲解了光子追踪、权重和历史记录的统计学原理。特别展示了MC方法在模拟地气系统复杂耦合辐射过程中的优势。 球谐函数法（Spherical Harmonics Method）：讨论了如何利用勒让德多项式展开散射角函数，并将RTE转化为一组常微分方程组进行求解，适用于平流层和中高层大气模型。 第六章：气溶胶辐射传输的高级考量 本章深入探讨了真实大气中气溶胶带来的复杂效应： 非对称性与前向散射： 讨论了如何使用高度各向异性的相位函数（如Henyey-Greenstein近似）来精确描述气溶胶的强前向散射特性，这对计算直接穿透路径的辐射至关重要。 非球形粒子散射： 介绍了离散偶极子近似（DDA）和T矩阵方法等处理非球形粒子（如冰晶、烟尘）散射截面和相位矩阵的原理，以及如何将这些结果集成到整体辐射传输框架中。 耦合效应： 分析了吸收与散射的相互影响，以及如何处理大气中水汽与气溶胶之间的微物理耦合过程对辐射传输的影响。 --- 第三部分：辐射传输在地球科学中的应用 本部分将理论知识转化为解决实际问题的工具，涵盖了辐射传输在气候学、遥感反演和辐射平衡计算中的核心应用。 第七章：大气辐射平衡与气候效应 本章聚焦于辐射传输在气候系统中的宏观作用。详细量化了太阳短波辐射（SW）和地表/大气长波辐射（LW）在大气边界层、对流层和平流层中的收支情况。书中通过案例分析，展示了温室气体和气溶胶对地球辐射强迫（Radiative Forcing）的贡献计算方法，以及如何利用辐射传输模型模拟云层辐射效应（如云的冷却和增温效应）。 第八章：遥感反演的理论基础 辐射传输方程是理解和解释遥感观测数据（如卫星辐射测量）的桥梁。本章阐述了如何将RTE应用于反演大气参数： 观测方程的构建： 建立卫星或地面传感器观测到的辐射（辐亮度）与大气中待反演参数（如气溶胶光学厚度、水汽含量、云顶高度等）之间的函数关系。 正演模型（Forward Modeling）： 强调高精度正演模型在迭代反演过程中的基础性作用。 反演技术： 概述了线性、非线性反演算法（如最小二乘法、迭代法）在处理高维不适定问题时的策略，特别是如何利用先验信息和协方差矩阵来提高反演的稳定性和可靠性。 第九章：地表辐射与边界层传输 本章将目光投向大气与地表的相互作用。详细讨论了地表发射率（Emissivity）和反照率（Albedo）的特性及其在长波和短波辐射传输中的作用。此外，针对行星边界层（PBL）的辐射特性，引入了对流和湍流引起的非均匀性对辐射场的影响，这对于理解地表能量交换至关重要。 附录：关键参数与计算资源 附录提供了辐射传输计算中常用的标准数据和工具列表，包括气溶胶光学特性数据集、大气吸收参数表、以及推荐的开源或商业辐射传输软件包的性能比较和使用指南，便于读者快速上手实际应用。

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这本书，说实话，光是书名就够让人头皮发麻了——《辐射传输在散射与吸收大气中的应用》。我拿到它的时候，心里就嘀咕着，这玩意儿绝对不是茶余饭后的甜点，而是得啃下硬骨头的专业教材。翻开扉页，扑面而来的是一堆希腊字母和微分方程，瞬间感觉回到了大学时代，那种面对复杂物理模型时的敬畏与一丝丝恐惧感又回来了。我一直对大气辐射传输这个领域抱着极大的好奇心，毕竟我们头顶的这层‘外衣’，如何吸收、散射和再辐射能量，直接决定了气候、能见度和遥感技术的精度。这本书的作者显然是在该领域深耕多年的权威，他没有选择那种浅尝辄止的科普式介绍，而是直接切入了最核心的数学框架。我记得最开始读到那几页关于标度律和边界条件的讨论时，需要反复对照着图示和脚注才能勉强跟上思路。这绝对不是一本能让你快速入门的书，它更像是一本给研究人员准备的工具箱，里面塞满了处理复杂辐射场问题的精细算法和理论推导。如果你期待的是一篇关于蓝天白云成因的轻松解读，那你恐怕要大失所望了；但如果你真的想深入理解米氏散射、瑞利散射在非均匀介质中是如何耦合作用的，这本书无疑是提供了最坚实的理论基石。

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拿到这本书后，我最直观的感受是它的严谨性达到了近乎苛刻的程度。从电磁波与粒子相互作用的微观理论出发，逐步过渡到宏观的辐射传输方程（RTE）的建立，整个逻辑链条是环环相扣，密不透风的。我尤其欣赏作者在处理非对称散射核时的那种耐心和细致。很多教材在讲解散射时，往往会简化问题，只关注前向或后向散射的理想情况，但这本书里详细剖析了球谐函数展开法（Spherical Harmonics Method）和离散坐标法（Discrete Ordinates Method）是如何在实际复杂大气结构中求解RTE的。我花了整整一个周末的时间，对照着书中的公式（尤其是涉及多普勒展宽和谱线轮廓的部分），试图在自己的笔记上复现那几个关键的积分变换。坦白说，难度极高，每一个变量的引入、每一个近似的合理性都需要读者付出巨大的认知努力去消化。这哪里是读物，分明是一份需要用计算资源和数学功底去‘破解’的密码本。不过，一旦你理解了其中一小节的推导精髓，那种‘豁然开朗’的成就感也是其他任何读物无法比拟的。它逼着你思考，而不是简单地接受结论。

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从阅读体验上来说，这本书无疑是一场智力上的马拉松。它的语言风格是极其正式和学术化的，几乎没有多余的修饰词，每一个句子都承载着明确的物理或数学信息。这对于需要精确信息的专业人士是优点，但对于试图建立初步概念的新手来说，门槛就高得吓人了。我记得有一次在阅读关于“波段分割（Band Modeling）”那一章时，作者直接从辐射传输的连续谱方程跳跃到了离散波段的近似处理，中间的物理合理性过渡需要读者自行脑补大量的知识点。这说明作者默认读者已经具备了扎实的辐射物理学背景，比如已经熟悉了普朗克函数、黑体辐射定律以及基本的辐射度量学。因此，这本书的价值在于其深度和广度在现有教材中是顶尖的，但它绝对不是一个友好的入门向导。更像是邀请你加入一个高精尖的学术研讨会，会场的讨论可能很快就会超越你的理解范围，需要你做好随时查阅其他参考资料的准备。

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总的来说，这本《辐射传输在散射与吸收大气中的应用》绝对是一部里程碑式的著作。它不是那种读完后能让你自信地对人炫耀“我学会了”的书，而是那种需要你反复研读、在笔记本上写满草稿、并在实际工作中不断回溯和印证的工具书。它的价值体现在其无可替代的理论深度和对现代数值方法的详尽覆盖上。如果你从事的是气候模拟、卫星遥感反演、或者先进光学探测领域的工作，这本书将是你书架上最沉甸甸、也最常被翻开的那一本——虽然翻开的每一页都可能伴随着深深的思考和头疼欲裂的感觉。它成功地将一个极其复杂的物理现象，用一套严密的数学语言进行了全面而深入的剖析。对于那些追求知识的深度和严谨性，而不是阅读的轻松愉快的读者来说，这本书是无可替代的经典之作，它对物理细节的执着，值得所有严肃的科研人员致敬。

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这本书的排版和结构设计，也体现了其面向专业读者的定位。图表的使用非常克制，但每一个图都至关重要，绝非装饰品。例如，书中关于“光学厚度”与“散射相函数”如何共同影响视见函数（View Function）的那些插图，虽然看起来简单，但却精准地揭示了大气光学特性的物理本质。更值得一提的是，作者在讨论数值方法收敛性和误差分析时，提供了非常详尽的论述。这表明作者不仅仅满足于给出一个理论公式，而是真正关心这些公式如何在计算机上高效、准确地运行。我注意到，作者在处理大气中气溶胶与云层耦合散射的问题时，采用了相当先进的求解策略，这部分内容几乎可以说是涵盖了近十年来该领域最新的研究进展。对于那些希望将理论付诸实践、开发新一代辐射模型的研究生或工程师来说，这本书的后半部分简直就是一本实战宝典。它不像某些经典教材那样停留在基础理论的层面，而是勇敢地迈入了前沿计算的泥潭。

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