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第1章 大气概述1

1.1 大气——天气和气候2

1.1.1 美国的天气2

1.1.2 气象学、天气和气候2

1.2 大气灾害：来自自然的袭击5

1.3 科学探索的本质7

知识窗1.1 从外空看地球7

1.3.1 假设8

1.3.2 理论8

1.3.3 科学方法8

1.4 地球圈9

1.4.1 地质圈10

1.4.2 大气圈11

1.4.3 水圈11

1.4.4 生物圈12

1.5 地球是一个复杂系统13

1.5.1 地球系统科学13

1.5.2 地球系统14

知识窗1.2 地球的子系统之一的碳循环14

1.6 大气的组成16

1.6.1 大气的主要成分16

知识窗1.3 地球大气的形成与演变17

1.6.2 二氧化碳18

1.6.3 变化的大气成分19

1.7 臭氧减少——一个全球性问题20

1.7.1 南极臭氧洞20

1.7.2 臭氧减少的效应21

1.7.3 蒙特利尔议定书22

1.8 大气层的垂直结构22

1.8.1 气压变化22

1.8.2 温度变化23

1.9 大气成分的垂直变化25

1.9.1 电离层26

1.9.2 极光26

第2章 地球表面和大气加热过程27

2.1 日地关系28

2.1.1 地球的运动28

2.1.2 季节是怎样形成的28

2.1.3 地球的朝向30

2.1.4 两至点和两分点31

知识窗2.1 季节变化31

2.2 能量、温度和热量34

2.2.1 能量的形式34

2.2.2 温度35

2.2.3 热量35

2.3 热量传输机制35

2.3.1 传导35

2.3.2 对流36

2.3.3 辐射37

2.3.4 辐射定律38

知识窗2.2 辐射定律38

极端灾害性天气2.1 紫外线指数39

2.4 太阳入射辐射41

2.4.1 反射与散射41

2.4.2 太阳辐射的吸收43

2.5 大气圈中各种气体的作用44

2.5.1 加热大气44

2.5.2 温室效应45

2.6 地球的热量收支46

2.6.1 年能量平衡46

知识窗2.3 太阳能47

2.6.2 热量平衡的纬度分布48

第3章 温度49

3.1 气温记录资料50

3.1.1 基本计算方法50

3.1.2 等温线50

3.2 影响气温的因素51

3.2.1 海陆分布52

知识窗3.1 北美最热和最冷的地方54

3.2.2 洋流55

3.2.3 海拔高度56

3.2.4 地理位置57

3.2.5 云量和反照率58

极端灾害性天气3.1 热浪59

3.3 温度的全球分布61

知识窗3.2 纬度与温度较差63

3.4 气温变化的周期64

3.4.1 气温日变化65

知识窗3.3 城市热岛效应：城市是如何影响温度的？66

3.4.2 温度日变化幅度68

3.4.3 温度的年变化68

3.5 气温的测量68

3.5.1 机械式温度计69

3.5.2 电子温度计70

3.5.3 百叶箱70

3.6 温标71

知识窗3.4 气温资料的用途72

3.7 炎热和风寒：人体不舒适指数74

3.7.1 炎热——高温高湿74

3.7.2 风寒——大风降温作用75

第4章 水分和大气稳定度76

4.1 大气中水的运动77

4.2 水：独特的物质78

4.3 水的相变79

4.3.1 冰、液态水和水汽79

4.3.2 潜热80

4.3.3 蒸发和凝结80

4.4 湿度：空气中的水汽82

4.5 水汽压与饱和83

4.6 相对湿度85

知识窗4.1 干空气的相对湿度是100％吗？85

4.6.1 相对湿度如何变化？85

知识窗4.2 增湿器和除湿器87

4.6.2 相对湿度的自然变化87

4.7 露点温度88

4.8 如何测量湿度？89

4.9 绝热温度变化90

4.9.1 绝热冷却和凝结90

4.10 空气抬升过程91

4.10.1 地形抬升92

知识窗4.3 降水记录和山地地形92

知识窗4.4 山地效应：迎风坡降水和背风坡无雨带93

4.10.2 锋面楔入94

4.10.3 辐合95

4.10.4 局地对流抬升96

4.11 恶劣天气的起因：大气稳定度96

4.11.1 稳定度类型97

4.11.2 稳定度和每日天气99

4.11.3 稳定度如何变化？100

4.11.4 温度变化和稳定度100

4.11.5 空气垂直运动和稳定度101

第5章 凝结和降水类型102

5.1 云的形成103

5.1.1 高空凝结103

5.1.2 云滴的增长103

5.2 云的分类104

5.2.1 高云105

5.2.2 中云105

5.2.3 低云107

5.2.4 垂直发展型云（直展云）107

5.2.5 云的形态变化107

知识窗5.1 飞机航迹和云量108

5.3 雾的类型109

5.3.1 冷却雾109

5.3.2 蒸发雾111

5.4 降水的形成112

知识窗5.2 科学与意外发现113

5.4.1 冷云降水：伯杰龙过程114

5.4.2 暖云降水：碰并过程115

5.5 降水的类型116

5.5.1 雨116

5.5.2 雪118

5.5.3 雨夹雪和冻雨118

5.5.4 冰雹119

5.5.5 雾凇120

极端灾害性天气5.1 最糟糕的冬天120

5.6 降水的观测122

5.6.1 标准雨量计122

5.6.2 降雪测量122

5.6.3 天气雷达测量降水123

5.7 人工影响天气124

5.7.1 人工增雨（雪）124

5.7.2 人工驱云消雾125

5.7.3 人工消雹126

5.7.4 预防霜冻127

第6章 气压和风129

6.1 风和气压130

6.2 气压的测量131

6.3 气压随海拔高度变化133

6.4 气压变化的原因133

6.4.1 温度对气压的影响133

知识窗6.1 气压与航空134

6.4.2 水汽对气压的影响135

6.4.3 气流和压力135

6.5 影响风的因素135

6.5.1 气压梯度力136

6.5.2 科里奥利力（地球自转偏向力、科氏力）137

6.5.3 摩擦力139

6.6 高空风140

6.6.1 地转流140

6.6.2 曲线流和梯度风142

知识窗6.2 棒球在丹佛的库尔斯球场真的会飞得更远吗？142

6.7 地面风143

6.8 风与空气的垂直运动144

6.8.1 气旋和反气旋的垂直气流145

6.8.2 影响垂直气流的因子146

6.9 风的观测147

知识窗6.3 风能：一种潜在的替代能源148

第7章 大气环流151

7.1 大气运动的尺度152

7.1.1 小尺度环流和大尺度环流152

知识窗7.1 尘卷风153

7.1.2 风场结构154

7.2 局地风155

7.2.1 海陆风155

7.2.2 山谷风155

7.2.3 钦诺克风（焚风）156

7.2.4 下坡风（下降风）157

7.2.5 乡村风157

7.3 全球环流157

7.3.1 单圈环流模型157

极端灾害性天气7.1 圣安娜风（干热风）与山火158

7.3.2 三圈环流模型159

7.4 气压带与风160

7.4.1 理想的纬向气压带160

7.4.2 半永久性气压系统：真实大气161

7.5 季风162

7.5.1 亚洲季风163

7.5.2 北美季风163

7.6 西风带164

7.6.1 为什么存在西风带？165

7.6.2 西风带的波动165

7.7 急流166

7.7.1 极地急流166

7.7.2 副热带急流168

7.7.3 急流和地球热量收支168

7.8 全球风场和洋流169

7.8.1 洋流的重要性169

7.8.2 洋流和涌升流170

7.9 厄尔尼诺、拉尼娜和南方涛动170

7.9.1 厄尔尼诺的影响171

7.9.2 拉尼娜的影响173

7.9.3 南方涛动173

7.10 全球降水分布174

7.10.1 降水的纬向分布175

7.10.2 陆地上的降水分布176

知识窗7.2 假想大陆上的降水季节特征176

第8章 气团178

8.1 什么是气团179

8.1.1 气团的源地180

8.1.2 气团的分类181

8.1.3 气团的变性181

8.2 北美气团的特征182

8.2.1 极地大陆（cP）气团和北极大陆（cA）气团182

8.2.2 湖泊效应降雪：暖水上的冷空气183

极端灾害性天气8.1 西伯利亚寒流185

8.2.3 极地海洋（mP）气团186

8.2.4 热带海洋（mT）气团187

极端灾害性天气8.2 湖泊效应产生的暴风雪190

极端灾害性天气8.3 2011年1月12日，一次典型的东北风暴191

8.2.5 热带大陆（cT）气团192

第9章 中纬度气旋193

9.1 锋面天气194

9.1.1 暖锋195

9.1.2 冷锋197

9.1.3 静止锋199

9.1.4 锢囚锋199

9.1.5 干线201

9.2 中纬度气旋与极锋理论201

9.3 中纬度气旋的生命周期202

9.3.1 形成：两个气团的碰撞202

9.3.2 气旋流的发展203

9.3.3 中纬度气旋的成熟阶段203

9.3.4 锢囚：消亡的开始（消亡阶段）203

9.4 理想的中纬度气旋天气204

知识窗9.1 预报的工具——风205

9.5 高空气流与气旋形成207

9.5.1 气旋性和反气旋性环流207

9.5.2 高空辐散与辐合207

9.6 中纬度气旋的形成区域209

9.6.1 气旋移动类型209

9.6.2 高空气流与气旋移动210

9.7 反气旋天气与大气阻塞211

9.8 中纬度气旋个例研究212

极端灾害性天气9.1 2008年和1993年美国中西部大洪涝215

9.9 现代观点：传送带模型217

第10章 雷暴与龙卷风219

10.1 名称的含意220

10.2 雷暴221

10.3 气团雷暴222

10.3.1 发展阶段222

10.3.2 发生区域224

10.4 强雷暴224

10.5 超级单体雷暴225

10.5.1 飑线226

10.5.2 中尺度对流复合体227

极端灾害性天气10.1 突发洪水——雷暴雨的头号杀手228

10.6 闪电和雷声229

极端灾害性天气10.2 下击暴流230

10.6.1 闪电发生的原因232

10.6.2 雷击232

10.6.3 雷声233

10.7 龙卷风234

10.7.1 龙卷风的发生与形成236

10.7.2 龙卷风气候学237

极端灾害性天气10.3 强龙卷风后的幸存238

10.7.3 龙卷风的特征239

10.8 龙卷风的破坏性240

10.8.1 龙卷风强度241

10.8.2 死亡率242

10.9 龙卷风预报243

10.9.1 龙卷风监视和警报243

10.9.2 多普勒雷达244

第11章 飓风246

11.1 飓风概况247

知识窗11.1 角动量守恒250

11.2 飓风的形成与消亡250

11.2.1 飓风的形成251

11.2.2 飓风消亡252

11.3 飓风的破坏性252

11.3.1 萨菲尔-辛普森分级253

11.3.2 风暴潮253

11.3.3 大风灾害254

11.3.4 强降雨和内陆洪水255

极端灾害性天气11.1 气旋纳吉斯256

11.3.5 飓风强度评估257

11.4 飓风的探测、跟踪和监控258

11.4.1 卫星监测259

11.4.2 飞机勘测259

11.4.3 雷达和数据浮标263

11.4.4 飓风监视和警报264

11.4.5 飓风预报264

第12章 天气分析和预报266

12.1 气象业务概述267

12.2 天气分析268

12.2.1 获取数据269

12.2.2 绘制天气图270

知识窗12.1 制作天气图272

12.3 计算机在天气预报中的应用273

12.3.1 数值天气预报273

知识窗12.2 数值天气预报273

12.3.2 集成预报275

12.3.3 预报员的作用276

12.4 其他预报方法277

12.4.1 持续性预报277

12.4.2 气候学预报277

12.4.3 类比法277

12.4.4 趋势预报278

12.5 高空环流和天气预报278

12.5.1 高空图278

12.5.2 高空气流与地面天气预报280

12.6 长期天气预报283

12.7 预报准确率284

12.8 卫星在天气预报中的应用285

12.8.1 气象卫星图像286

12.8.2 卫星探测的其他内容289

第13章 空气污染290

13.1 空气污染的危害291

13.2 空气污染源和类型293

13.2.1 一次污染物293

极端灾害性天气13.1 1952年伦敦大烟雾294

知识窗13.1 污染正在改变气候295

13.2.2 二次污染物298

13.3 空气质量的变化趋势299

13.3.1 质量标准的建立300

13.3.2 空气质量指数300

13.4 影响空气污染的气象因素301

13.4.1 风302

极端灾害性天气13.2 从空中看空气污染过程302

13.4.2 大气稳定度303

13.5 酸雨305

13.5.1 酸雨的范围和强度305

13.5.2 酸雨的危害306

第14章 变化的气候308

14.1 气候系统309

14.2 气候变化的检测310

14.2.1 海底沉积物——气候资料的仓库311

14.2.2 氧同位素分析312

14.2.3 冰川中的气候变化记录312

14.2.4 树轮——环境历史档案313

14.2.5 其他类型的代用资料314

14.3 气候变化的自然原因315

14.3.1 板块构造与气候变化316

14.3.2 火山活动与气候变化317

知识窗14.1 地质时期的火山活动与气候变化319

14.3.3 地球轨道变化319

14.3.4 太阳活动与气候321

14.4 人类对全球气候的影响322

14.4.1 二氧化碳、微量气体和气候变化322

14.4.2 大气二氧化碳含量的增加323

14.4.3 大气响应324

14.4.4 微量气体的作用325

14.5 气候反馈机制327

14.5.1 气候反馈机制的种类327

14.5.2 气候模式：重要但尚不完善的工具328

14.6 气溶胶对气候的影响328

14.7 全球变暖的可能后果329

14.7.1 海平面上升330

14.7.2 变化的北极331

14.7.3 增大的海水酸性333

14.7.4 意想不到的后果333

第15章 世界气候334

15.1 气候的分类335

知识窗15.1 气候图337

15.2 气候控制因素：概述339

15.2.1 纬度339

15.2.2 海陆分布339

15.2.3 地理位置与盛行风向339

15.2.4 山脉高原340

15.2.5 洋流340

15.2.6 气压和风340

15.3 世界气候综述340

15.4 潮湿的热带气候（Af，Am）341

知识窗15.2 热带雨林砍伐对土壤的影响342

15.4.1 温度特征344

15.4.2 降水特征344

15.5 热带干湿季气候（Aw）345

15.5.1 温度特征345

15.5.2 降水特征346

15.5.3 季风347

15.5.4 气候类型的变型Cw348

15.6 干旱气候（B）348

15.6.1 “干旱”意味着什么？349

15.6.2 副热带沙漠气候（BWh）和草原气候（BSh）349

15.6.3 西海岸副热带沙漠气候352

15.6.4 中纬度沙漠（BWk）和草原气候（BSk）353

15.7 冬季温和湿润的中纬度气候带（C）354

15.7.1 副热带湿润气候（Cfa）354

15.7.2 西海岸海洋性气候（Cfb）356

15.7.3 副热带夏干（地中海）气候（Csa，Csb）357

15.8 冬季寒冷的湿润大陆气候（D）358

15.8.1 湿润的大陆性气候（Dfa）358

15.8.2 副极地气候（Dfc，Dfd）360

15.9 极地气候（E）361

15.9.1 苔原气候（ET）362

15.9.2 冰原气候（EF）364

15.10 高原气候364

极端灾害性天气15.1 干旱——代价巨大的大气灾害366

第16章 大气的光学现象368

16.1 光和物质的相互作用369

16.1.1 反射369

16.1.2 折射370

16.2 海市蜃楼372

知识窗16.1 高速公路海市蜃楼是真的吗？372

16.3 彩虹374

16.4 光晕、幻日和日柱377

16.5 光环380

16.6 其他光学现象381

16.6.1 华381

16.6.2 彩虹云381