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第1章　绪论1

1.1　学科范围和历史评述1

1.2　大气结构及其声学特性4

1.2.1　大气的分层结构4

1.2.2　大气的湍流结构6

1.2.3　大气的声学特性7

1.3　大气中的热力学关系10

1.3.1　状态方程和绝热方程10

1.3.2　气压计方程和标高、等温大气和等温度梯度大气11

1.3.3　位温和V？is？l？-Brunt频率12

1.4　大气动力学基本关系14

1.4.1　运动方程14

1.4.2　连续性方程、状态方程、张量形式15

1.4.3　守恒定律16

1.4.4　位势高度和Coriolis力17

1.5　大气波的类型18

第2章　基本概念和处理方法23

2.1　均匀大气中的波动方程23

2.1.1　波动方程的推导23

2.1.2　速度势（声势）、计及二阶微量的波动方程24

2.1.3　Helmholtz方程25

2.2　声波中的能量关系26

2.2.1　声波能量、声能流密度26

2.2.2　声波动量、声压的时间平均值27

2.2.3　声波中的Lagrange密度29

2.3　不均匀大气中的波动方程31

2.3.1　波动方程和定解条件31

2.3.2　存在解的概述32

2.4　WKB近似34

2.4.1　一般表述34

2.4.2　Ajry函数35

2.4.3　存在返转点时的场37

2.5　简正波解39

2.5.1　虚源图像39

2.5.2　场的积分表示40

2.5.3　简正波41

2.5.4　界面为任意的情形43

2.6　几何（射线）声学基本概念44

2.6.1　波前、射线、程函44

2.6.2　射线寻迹方程45

2.6.3　Femat原理46

第3章　大气中的声传播——折射和反射49

3.1　静止均匀介质中的声传播49

3.1.1　波前的参量描述49

3.1.2　主曲率半径沿射线的变化50

3.1.3　焦散面51

3.2　分层不均匀介质中的声折射52

3.2.1　声速梯度造成的折射52

3.2.2　风速梯度造成的折射54

3.3　大气中的声线55

3.3.1　射线积分56

3.3.2　波导中的射线56

3.3.3　“反常”传播57

3.4　静止介质中的振幅变化60

3.4.1　静止均匀介质中的波振幅60

3.4.2　沿射线的能量守恒：推广到缓变介质62

3.5　运动介质中的振幅变化63

3.5.1　运动介质中的声波方程63

3.5.2　波作用量守恒64

3.5.3　Блохинцев不变量66

3.6　声波在两种介质分界面上的反射66

3.6.1　平面波从刚性界面的反射67

3.6.2　平面波从比声阻抗有限的平面上的反射68

3.6.3　局部反应表面69

3.6.4　反射表面上空的声场70

3.7　地面的影响71

3.7.1　多孔半空间上空的声场表式71

3.7.2　地波和表面波72

3.7.3　计算地面阻抗的四参量半经验公式74

3.7.4　地面引起的超额衰减75

3.7.5　地貌的影响75

第4章　声波在大气中的散射和衍射79

4.1　散射的基本概念79

4.1.1　固定刚性体的散射80

4.1.2　散射截面81

4.2　从不均匀性上的散射82

4.2.1　散射的微分方程82

4.2.2　散射的积分方程83

4.2.3　散射波的渐近表近83

4.2.4　Born近似84

4.3　大气湍流与声波的相互作用85

4.3.1　声波与湍流的分离85

4.3.2　湍流大气中的声波方程86

4.3.3　湍流与声波的相互作用机制89

4.4　湍流大气中的声散射93

4.4.1　散射截面93

4.4.2　功率比94

4.4.3　功率谱95

4.5　声波在静止大气中的衍射96

4.5.1　局部反应表面上空的点声源97

4.5.2　影区内的声场表式99

4.5.3　衍射公式的级数表式101

4.5.4　蠕波102

4.5.5　蠕波的几何声学诠释104

4.6　声波在运动大气中的衍射105

4.6.1　基本方程和形式解106

4.6.2　简正波展开107

4.6.3　本征值的渐近表式108

4.6.4　本征函数的渐近表式110

4.6.5　衍场的近似表式113

4.6.6　分析和结论115

第5章　大气中的声吸收119

5.1　经典吸收120

5.1.1　黏性流体的运动方程——Navier-Stokes方程120

5.1.2　导热方程121

5.1.3　黏性-导热流体中声波的能量关系122

5.1.4　黏性-导热流体中的吸声系数123

5.1.5　实用的经典吸声系数125

5.1.6　黏性-导热介质中的波模式126

5.2　分子转动弛豫吸声129

5.2.1　内自由度模式的吸收机制129

5.2.2　转动弛豫的贡献129

5.2.3　碰撞反应速率130

5.2.4　转动弛豫吸声系数131

5.3　分子振动弛豫吸声132

5.3.1　振动受激分子的摩尔数变化率132

5.3.2　动态绝热压缩系数134

5.3.3　振动弛豫吸声系数135

5.3.4　氧和氮的振动弛豫频率136

5.3.5　水汽的摩尔分数（分子浓度）137

5.4　总吸声系数和附加吸收139

5.4.1　总吸声系数139

5.4.2　附加吸声140

5.5　雾滴和悬浮微粒的声吸收141

5.5.1　历史评述142

5.5.2　基本分析：质量转移过程143

5.5.3　进一步的分析144

第6章　重力场和地球自转的影响148

6.1　静止大气中的波系149

6.1.1　基本方程组和频散关系149

6.1.2　内波150

6.1.3　相速度和群速度153

6.2　运动不均匀大气中的波155

6.2.1　基本方程组及其处理步骤155

6.2.2　向等温大气的过渡缓变大气157

6.2.3　速度散度方程158

6.2.4　能量密度和Lagrange密度159

6.3　偏振关系161

6.3.1　各微扰量之间的相位关系161

6.3.2　粒子运动轨迹162

6.3.3　复偏振项164

6.4　Rossby波164

6.4.1　地转风164

6.4.2　Rossby波的形成165

6.4.3　Rossby波的性质167

6.5　外波168

6.5.1　特性表面波168

6.5.2　与内波的比较170

6.5.3　边界波172

6.6　大气潮174

6.6.1　概述174

6.6.2　理论176

第7章　计算大气声学181

7.1　快速场程序（FFP）182

7.1.1　Helmholtz方程、轴对称近似183

7.1.2　Helmholtz方程的解186

7.1.3　接收器处的场187

7.1.4　数值计算精度的增进189

7.1.5　二维均匀大气的FFP解190

7.2 抛物方程法Ⅰ：Crank-Nicholson抛物方程法（CNPE）191

7.2.1　窄角PE和广角PE的导出192

7.2.2　窄角PE和广角PE的有限差分解194

7.2.3　密度剖面的影响196

7.2.4　有限元解197

7.3　抛物方程法Ⅱ：Green函数抛物方程法（GFPE）198

7.3.1　无界、无折射大气198

7.3.2　折射大气201

7.3.3　三维GFPE法203

7.4　射线寻迹205

7.4.1　射线方程205

7.4.2　数值积分的具体例子——台风次声射线寻迹209

7.5　Gauss射线束法（GB）210

第8章　大气声遥感214

第Ⅰ部分　低层大气遥感214

8Ⅰ.1　探测系统214

8Ⅰ.1.1　收发合置系统215

8Ⅰ.1.2　收发分置系统、Doppler回声探测器217

8Ⅰ.2　声探测的物理基础219

8Ⅰ.2.1　以脉冲探测大气不均匀性的原理219

8Ⅰ.2.2　用电声换能器为散射区定界220

8Ⅰ.2.3　声雷达方程223

8Ⅰ.2.4　不相干散射、收发分置声探测方程223

8Ⅰ.2.5　回声探测器方程224

8Ⅰ.3　声探测器的输出226

8Ⅰ.3.1　热卷流检测226

8Ⅰ.3.2　逆温层监测226

8Ⅰ.3.3　稳定条件和波227

8Ⅰ.3.4　定量比较228

8Ⅰ.4　用声雷达获取风速剖面的系统算法230

8Ⅰ.4.1　从声雷达获取的Doppler频谱230

8Ⅰ.4.2　Doppler频谱的空间分辨率231

8Ⅰ.4.3　风速剖面的建模232

8Ⅰ.4.4　加权函数和协方差233

8Ⅰ.4.5　应用例子234

8Ⅰ.5　被动遥感236

第Ⅱ部分　高层大气遥感236

8Ⅱ.1　高层大气声遥感的物理基础237

8Ⅱ.1.1　折射237

8Ⅱ.1.2　吸收238

8Ⅱ.1.3　从声测量推断高层大气性质238

8Ⅱ.2　遥感检测系统238

8Ⅱ.3　大气中波动的识别241

8Ⅱ.4　大气中具体存在着的次声波的被动遥感243

8Ⅱ.4.1　全球次声监测网络243

8Ⅱ.4.2　若干展望245

第9章　非线性大气声学247

9.1　声传播中的非线性效应247

9.1.1　均匀介质中的平面波247

9.1.2　激波简介249

9.1.3　谐波的生成251

9.1.4　非线性耗散波、Burgers方程252

9.1.5　在非均匀介质中传播的非线性波255

9.2　声爆256

9.2.1　声爆基础理论256

9.2.2　声爆的聚焦259

9.2.3　激波的厚度260

9.2.4　声爆模拟程序260

9.3　对大气湍流中声波的晚近研究261

9.3.1　间歇性的影响262

9.3.2　小规模湍流各向异性的影响262

9.3.3　准周期相干结构对回波信号低频功率谱的影响263

9.3.4　相干结构对脉冲在ABL中传播的影响264

9.3.5　中层大气中各向异性结构所引起的声散射265

9.3.6　湍流对非线性波的影响265

9.4　大气孤波267

9.4.1　大气孤波的基本方程267

9.4.2　对大气孤波的探测271

第10章　大气中的声源273

10.1　基本声源273

10.1.1　单极子源273

10.1.2　偶极子源274

10.1.3　四极子源275

10.1.4　活塞源275

10.1.5　流体源276

10.2 自然声源277

10.2.1　海浪277

10.2.2　重物落水282

10.2.3　大火283

10.2.4　大风285

10.2.5　地震287

10.2.6　火山喷发和陨石坠落288

10.2.7　极光288

10.2.8　其他289

10.3　人工声源290

10.3.1　飞机290

10.3.2　火箭290

10.3.3 高空爆炸290

10.3.4　大气核试验291

10.3.5　航天飞机的爆炸291

参考文献293