Aerosol Optics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Kokhanovsky, Alexander A.

出品人:

页数:146

译者:

出版时间:

价格:$ 179.67

装帧:HRD

isbn号码:9783540237341

丛书系列:

图书标签:

大气光学
气溶胶
光学物理
大气科学
环境科学
遥感
辐射传输
颗粒物
散射
吸收

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具体描述

Springer/Praxis have a successful mini program of books on various aspects of light scattering, and now have a journal "Light Scattering Review" under consideration proposed by Alex Kokhanovsky. The atmospheric air contains not only gases but also various types of airborne particles (known as aerosols) ranging from dust grains to microbes. These small particles influence atmospheric visibility, the thermodynamics of the atmosphere, and they are also of great importance in any consideration of climate change problems. Aerosols may also be responsible for the loss of harvest, health problems among humans and ecological disasters. Therefore, it is of great importance to study aerosol properties on a global scale. Such studies ultimately should be based on global observations using instruments positioned on the space platforms.

《大气气溶胶光学特性研究：理论、观测与应用》本书深入探讨了大气中悬浮颗粒物（气溶胶）与辐射传输之间的复杂相互作用。它旨在为大气物理学家、气候科学家、遥感专家以及环境工程师提供一个全面且深入的理论框架与实践指南，以理解和量化气溶胶对地球辐射平衡、能见度以及区域气候变化的影响。本书的结构分为四个主要部分，旨在循序渐进地构建读者对气溶胶光学现象的理解。 --- 第一部分：气溶胶基础与光学理论基石本部分首先建立了理解气溶胶光学特性的必要基础。第一章：气溶胶的生成、组成与物理化学性质本章详细阐述了气溶胶的来源，涵盖自然源（如火山爆发、海浪飞溅、土壤扬尘）与人为源（如化石燃料燃烧、工业排放）。内容深入到颗粒物的粒径分布模型（如对数正态分布、幂律分布），强调了粒径作为决定光学特性的核心要素。此外，对颗粒物的化学成分（硫酸盐、硝酸盐、有机碳、黑碳、矿物粉尘等）及其对折射率的影响进行了详尽的讨论。折射率是理解光散射和吸收的基础，本章通过实验数据和理论计算，提供了不同气溶胶类型在可见光、近红外和短波红外波段的复折射率参数。第二章：光与物质相互作用的基本原理本章回顾了经典电磁波理论在描述光与小颗粒相互作用中的应用。重点讲解了米氏散射理论（Mie Theory），这是描述与光波长相当或稍大颗粒物散射特性的核心工具。详细推导了米氏散射理论的数学表达式，包括散射效率因子、相函数、前向散射增强效应等关键参数的计算方法。同时，对于粒径远小于波长的颗粒物（如云凝结尾迹或部分硫酸盐气溶胶），本章也阐述了瑞利散射理论（Rayleigh Scattering）及其与米氏理论的过渡关系。对于吸收性气溶胶（如黑碳），本章引入了吸收效率因子和单次散射反照率的概念，为后续量化辐射加热效应打下基础。第三章：单次散射特性的参数化与模型本章专注于如何将复杂的理论计算转化为可用于大气辐射模型计算的简洁参数。内容包括： 1. 散射相函数（Phase Function）的表征：探讨了如Henyey-Greenstein函数等近似模型在线性尺度上的适用性，以及如何利用实验数据精确拟合宽范围角度上的散射分布。 2. 消光系数与气溶胶光学厚度（AOD）：定义了总消光系数的组分（散射+吸收），并阐述了如何利用地面观测数据（如太阳光度计）计算垂直柱平均气溶胶光学厚度（AOD），以及其在不同波长下的光谱依赖性。 3. 非球形颗粒的处理：讨论了在面对矿物粉尘或冰晶等非球形粒子时，米氏理论的局限性，并介绍了如T矩阵法（T-Matrix Method）或离散偶极子近似法（DDA）等数值方法在计算其光学特性中的应用和挑战。 --- 第二部分：辐射传输模型与数值计算本部分将理论基础应用于实际的大气辐射计算中，重点介绍如何将气溶胶光学参数植入到辐射传输模型中。第四章：大气辐射传输方程的建立本章从物理辐射传输方程出发，详细推导了考虑气溶胶贡献的方程。重点分析了辐射传输方程中的各项贡献：太阳短波辐射、地面长波辐射、以及气溶胶的辐射源项（由于散射和吸收导致的加热）。讨论了辐射传输计算中常用的离散坐标法（DISORT）、叠加法（Adding/Doubling Method）等数值方法的原理、优缺点及其对精度和计算效率的影响。第五章：气溶胶对地表短波辐射通量的影响本章聚焦于气溶胶对太阳辐射的直接效应（Direct Effect）。内容包括： 1. 地表辐照度下降：通过模型模拟不同AOD和气溶胶垂直分布情景下，地表接收到的直接和漫射太阳辐射的相对变化，量化“全球变暗”现象的机制。 2. 辐射加热率的计算：精确计算不同大气层中，由于气溶胶吸收太阳能所产生的局部加热速率（K/day），并分析黑碳和棕碳在加热效应中的贡献差异。 3. 能见度与消光的关系：基于Koschmieder关系，将气溶胶的消光系数与人类可感知的能见度联系起来，讨论了光学模型在能见度预报中的应用。第六章：气溶胶的间接效应：云与辐射的相互作用本章转向气溶胶对云物理过程和辐射的间接影响，这是气候变化研究中的一个核心不确定性来源。 1. 云凝结核（CCN）与冰核（IN）的激活：详细探讨了不同气溶胶的物理化学性质如何决定其作为云凝结核或冰核的效率，并引入了Köhler理论在预测云滴形成阈值上的应用。 2. 云光学特性的调制：分析了气溶胶数量和大小分布变化如何影响云滴谱的宽度、平均云滴半径，进而改变云的反照率（Twomey效应）和寿命（半持久效应）。 3. 云辐射强迫的量化：介绍了利用卫星数据和三维辐射模型，分离和估算气溶胶间接辐射强迫的方法和挑战，特别是如何区分不同类型云层（高云、低云）的响应差异。 --- 第三部分：观测技术与数据反演本部分侧重于实际测量方法和从遥感数据中提取气溶胶光学参数的先进技术。第七章：地面遥感观测网络与数据处理本章全面介绍了地面光度计网络（如AERONET, EUMETNET BIRA-IASI）的工作原理。重点讲解了如何利用多通道太阳光度计观测数据，通过直接反演算法（如Dubovik/Martins算法），提取出AOD、细模态与粗模态的贡献比例、折射率虚部（吸收性）、以及粒径分布（ASD）等关键光学和物理参数。同时，讨论了数据质量控制、背景气体的校正（如臭氧、水汽）以及仪器的标定方法。第八章：卫星遥感反演技术本章系统梳理了从卫星平台（如MODIS, MISR, VIIRS）获取的气溶胶光学厚度（AOD）的反演技术： 1. 可见光/近红外通道反演：讨论了基于“暗目标法”（Dark Target, DT）和“深蓝法”（Deep Blue, DB）的原理，及其在陆地和海洋表面应用中的优势与局限性。 2. 多角度/多谱段信息融合：阐述了如MISR等平台如何利用不同视角和多个波长通道的信息，来分离气溶胶的吸收性和粒径信息。 3. 气溶胶产品与评估：比较了目前主流卫星AOD产品的空间分辨率、时间频率及其在验证地面观测数据中的交叉对比方法。第九章：气溶胶垂直分布的探测理解气溶胶的垂直结构对于准确计算辐射效应至关重要。本章详细介绍了用于探测气溶胶高度分布的技术： 1. 激光雷达（Lidar）原理与应用：深入讲解了后向散射激光雷达（如CALIOP）的基本方程，包括单次散射和多次散射的影响。重点分析了如何从后向散射信号中识别气溶胶层、确定其边界高度、以及通过与高空风场数据结合来追踪气溶胶输送。 2. 傅里叶光谱仪（FTIR）的限制与潜力：探讨了利用大气廓线反演技术对气溶胶吸收和垂直分布进行间接约束的可能性。 --- 第四部分：区域气候与环境应用本部分将前述的理论和观测结果应用于解决实际的气候和环境问题。第十章：气溶胶气候强迫的区域估算本章利用前述章节建立的辐射传输框架，针对特定区域（如东亚季风区、撒哈拉-萨赫勒地区）进行气溶胶辐射强迫的区域性气候影响评估。内容包括： 1. 气溶胶辐射强迫的季节性变化：分析不同季节下，由于气溶胶类型、输送路径和太阳高度角变化导致的短波辐射强迫的动态演变。 2. 气溶胶-气候反馈机制：探讨了气溶胶通过影响地表反照率（通过改变雪/冰的洁净度）和边界层结构（通过加热或冷却）对区域水循环和温度场的反馈作用。第十一章：能见度与空气质量的定量评估本章着眼于气溶胶光学特性与空气质量标准的直接关联。内容涵盖： 1. PM2.5/PM10质量浓度的光学反演：建立气溶胶光学厚度与地面质量浓度之间的经验和半经验关系，并评估这种转换在不同大气条件下的不确定性来源。 2. 健康风险评估的输入：说明如何将气溶胶的粒径分布和化学成分信息作为输入，为流行病学研究中暴露评估提供更精细的物理量。第十二章：未来挑战与研究方向本书最后总结了当前气溶胶光学研究的前沿和未解决的关键科学问题，包括：有机气溶胶的光化学老化过程对其折射率的动态影响、对流层顶附近和平流层气溶胶的长期监测、以及发展更高精度的、能处理复杂混合态颗粒物的辐射传输算法。 --- 《大气气溶胶光学特性研究：理论、观测与应用》是一本内容详实、注重计算与实践的专著，旨在为专业研究人员提供一个坚实的知识平台，以应对日益复杂的大气环境挑战。全书理论推导严谨，结合了大量的实测数据分析和先进的数值模拟案例。