大氣輻射傳送原理

如何能更精準地監測及預測天氣和氣候變化？更瞭解颱風的行為及預測動向？更瞭解全球暖化機制及找出可能解決方案？發展出更有效率的太陽能電池？建構更具綠色概念的智慧大樓？建構更綠能的生活？……

這些問題，都有一個共同的工作交集——需先瞭解驅動地球大氣系統最重要的能量平衡，亦即太陽（短波）輻射與地球系統（長波）輻射間的平衡，而這就要瞭解大氣輻射原理。

絕大部分的地球圈能量都直接或間接來自太陽光的照射，而地球大氣與太陽輻射能量之間的交互作用造就了天氣和氣候變化，而兩者之間的能量收支平衡即使只些微變動，亦可能造成環境及生物圈的巨變，例如目前極受重視的全球暖化和氣候變遷。因此從另一方面而言，天氣和氣候觀測很重要的項目之一即是在量測大氣輻射量的變化。此外近代新興的遙測技術，特別是衛星遙測，也是建基於大氣輻射原理上。

這本《大氣輻射傳送原理》的目的即在提供對大氣物理、衛星遙測、全球暖化、氣候變遷等議題有興趣的相關研究人員及研究生上課或研習的教材之用。全書共分九章，第一、二章論述基本輻射概念，第三章介紹輻射傳送方程，這也是大氣輻射原理的數理精髓，第四章則描述反射、透射的計算，以及在地表效應下的漫射輻射，第五、六兩章推導均勻大氣時輻射傳送方程的近似解，第七章則探討在非均勻大氣時輻射傳送的近似解，第八章討論不變性原理在求解輻射傳送上的應用，最後第九章再就輻射定義及數值求解等的問題進行補述。

由於大氣輻射傳送過程在微觀上相當複雜，這也表現在其輻射方程上。因此本書較適合於已具相當微積分與物理程度的大四學生或研究生；研讀過程亦建議可輔以相關大氣輻射數值模式的瞭解與模擬實習。

本書根基於本人在博士班《大氣輻射特論》之講授內容編寫而成，主要參考Bugloa (1986) 所著Introduction to the Theory of Atmos-pheric Radiative Transfer 一書，除了加上必要的補述和修正誤植部分外，亦融入本人多年來授課和研究心得，希望對相關領域的研究生或有興趣的學者專家在瞭解大氣輻射的過程與原理時能有所助益。

在動念編寫本書時，一直覺得理應輕鬆愉快，可以迅速完成。原因在於想說只是過去教學時的講授內容整理一下就可底定，再加上可以請求中央研究院曾忠一教授協助我做完整的檢視。曾忠一教授著作等身，且心思縝密，行事嚴謹，以往他在學生口試時對學生論文的深入審閱與精闢的修正建議，令人極為敬佩，因此若經其檢視，理應萬無一失。沒想到後來由於本人投入中央大學行政工作， 歷經中央大學太空及遙測研究中心主任、副研發長、研發長，以及後續的副校長和代理校長工作前後近二十年，而在這其間也還代理過客家學院院長、理學院院長和管理學院院長，也代理過人文研究中心主任、台灣經濟發展研究中心主任、以及數據分析方法研究中心主任，目前則擔任通訊系統研究中心主任。因此使得編撰工作不只緩慢，甚且有時甚至停頓。直至近來卸任行政工作再積極投入，卻不幸我們敬愛的曾忠一教授已離我們而去，無法如我期待的協助完善本書。我想也因此本書一定會有許多的缺失與遺漏，此點確實是我心中的一大遺憾。不過我仍然要表達我內心對曾忠一教授的感謝，感謝他激起我編撰此書的動力，雖然他一直不知道我在做這件事情。

最後我要感謝中央大學，因為我的教研生涯全都在此，而中央大學也全力地協助提供優質的教研環境，讓我成長而略有成績。此外也要感謝許多在本書編撰期間提供我相當助力的歷屆博士生們， 如陳萬金、林唐煌、劉崇治、黃世任等教授，目前他們均學有所成， 已分別在各公私立大學任教，表現均極為優異。此外博士生黃清順、陳昱均同學，以及博士後郭宗華博士對本書之付梓亦均有不可抹滅的協助和貢獻。另外，也謝謝我實驗室裡的多位碩士學生和助理的幫忙：已赴美攻讀博士學位的賴慧文、正在中大攻讀博士學位的張怡鈴、以及黃建齊和轉讀台大的林美玲。此外，研究助理陳良德和賴佑晟在協助文稿的整理及校正更是功不可沒。而對此書的完成，也要感謝我最親愛的家人，在我任職於中央大學期間，雖然對他們疏於照顧，仍全心全力地支持與體諒，讓我無後顧之憂。最後，也要感謝協助審查本書學者專家的編修建議，博士生張國恩和幾位碩士學生最後的校訂，以及中大出版社同仁的全力協助，讓本書能順利付梓。惟書中仍難免有疏漏或不足，亦祈各方專家不吝指正。

如何能更精準地監測及預測天氣和氣候變化？更瞭解颱風的行為及預測動向？更瞭解全球暖化機制及找出可能解決方案？發展出更有效率的太陽能電池？建構更具綠色概念的智慧大樓？建構更綠能的生活？……

這些問題，都有一個共同的工作交集——需先瞭解驅動地球大氣系統最重要的能量平衡，亦即太陽（短波）輻射與地球系統（長波）輻射間的平衡，而這就要瞭解大氣輻射原理。

絕大部分的地球圈能量都直接或間接來自太陽光的照射，而地球大氣與太陽輻射能量之間的交互作用造就了天氣和氣候變化，而兩者之間的能量收支平衡即使只些微變動，亦可能...

序
第一章 前言
1.1 基本概念
1.2 黑體輻射
　1.2.1 卜郎克函數（Planck function）
　1.2.2 史特凡波茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）
　1.2.3 汾因位移定律（Wien's displacement law）
　1.2.4 克希何夫定律 （Kirchhoff’s law）
1.3 散射與吸收
1.4 輻射傳送
　1.4.1 比爾–鮑桂–藍伯定律（Beer-Bouguer-Lambert law）
　1.4.2 席氏方程（Schwarzschild equation）
1.5 溫室效應 （Greenhouse effect）
1.6 全球暖化（Global warming）

第二章 觀念介紹
2.1 基本觀念
2.2 輻射基本參數定義
2.3 輻射吸收
2.4 輻射散射

第三章 輻射傳送方程
3.1 輻射傳送方程
3.2 平行平面大氣中的輻射傳送方程
3.3 輻射傳送方程的特定應用形式
3.4 輻射傳送方程的勒壤得多項式展開
3.5 輻射傳送方程的漫射（diffuse）分量
3.6 輻射強度和通量的形式解

第四章 反射和透射係數，地表效應和反照率
4.1 錢卓塞卡漫射輻射
4.2 廖氏漫射輻射
4.3 考量地表效應之漫射輻射

第五章 輻射傳送方程的近似解
5.1 薄層大氣近似
5.2 單次散射解
5.3 雙流近似解（Two-Stream Solutions）
　5.3.1 Schuster-Schwartzschild近似法
　5.3.2 Sagan-Pollack近似法
　5.3.3 Coakley-Chýlek近似法
5.4 雙流方程的解
　5.4.1 散射守恆（conservative scattering，ω=1）的解
　5.4.2 漫射分量的解

第六章 輻射傳送方程的艾丁頓（Eddington）近似解
6.1 半無限大氣之雙流解及艾丁頓解
6.2 δ-艾丁頓法
6.3 雙流解、艾丁頓解與δ-艾丁頓解的結果之比較

第七章 非均勻大氣的輻射傳送的近似解
7.1 散射守恆且均向散射時的輻射傳送方程
7.2 基本方程
7.3 通量方程
7.4 源函數
7.5 減光定律（The Law of Darkening）
7.6 H函數
7.7 非散射守恆，但為均向散射情形下的漫射輻射
7.8 相似關係（Similarity Relations）

第八章 不變性原理（The Principle of Invariance）
8.1 半無限均勻大氣之不變性原理
8.2 H函數與反射函數
8.3 H函數的一階解

第九章 輻射傳送原理中的其他相關問題
9.1 光學參數的計算
9.2 有限均勻大氣（Finite Homogeneous Atmosphere）
9.3 非均向散射
9.4 地表反照率的影響
9.5 其他的計算技術
　9.5.1 累加法與倍加法
　9.5.2 球面調和法（The spherical harmonics method）
　9.5.3 蒙地卡羅法（Monte Carlo method）
9.6 非均勻大氣
9.7 其他問題

附錄：勒壤得多項式加法定理
索引
參考文獻

序
第一章 前言
1.1 基本概念
1.2 黑體輻射
　1.2.1 卜郎克函數（Planck function）
　1.2.2 史特凡波茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）
　1.2.3 汾因位移定律（Wien's displacement law）
　1.2.4 克希何夫定律 （Kirchhoff’s law）
1.3 散射與吸收
1.4 輻射傳送
　1.4.1 比爾–鮑桂–藍伯定律（Beer-Bouguer-Lambert law）
　1.4.2 席氏方程（Schwarzschild equation）
1.5 溫室效應 （Greenhouse effect）
1.6 全球暖化（Global warming）

第二章 觀念介紹
2.1 基本觀念
2.2 輻射基本參數定義 ...