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出版者:Oxford University Press

作者:J. C. Kaimal

出品人:

页数:304

译者:

出版时间:1994-1-6

价格:GBP 82.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780195062397

丛书系列:

图书标签:

• 大气科学
• turbulence
• 大气边界层
• 湍流
• 气象学
• 流体力学
• 微气象学
• 大气科学
• 数值模拟
• 边界层大气
• 大气物理
• 环境流体力学

《地球流体力学导论：大气与海洋的动力学基础》 内容简介 本书旨在为对地球科学，特别是大气和海洋动力学感兴趣的读者提供一个全面且深入的物理学基础。它超越了传统气象学或海洋学教科书的范畴，聚焦于驱动地球流体运动的核心物理原理和数学工具。全书结构严谨，内容详实，适合高年级本科生、研究生以及在相关领域工作的研究人员作为核心参考资料。 第一部分：基础理论与框架 本书伊始，首先建立了描述地球流体运动的经典力学框架。我们从连续介质力学的基本假设出发，详细阐述了流体的运动学和动力学描述方法。重点讨论了欧拉坐标系和拉格朗日坐标系下的基本方程，包括质量守恒（连续性方程）和动量守恒（纳维-斯托克斯方程）在地球参考系下的修正。 一个关键部分是科里奥利力和离心力的引入及其在地球曲率影响下的精确表述。我们深入分析了这些广义惯性力的物理意义，解释了它们如何从根本上塑造了行星尺度的环流模式，例如地转平衡和梯度风平衡的形成机制。 此外，我们对热力学过程进行了系统的回顾和深化。这包括理想气体定律在不同压力和温度条件下的适用性，水汽相变过程中的潜热释放，以及绝热冷却和加热的定量分析。我们将这些热力学概念与流体动力学方程耦合，为后续讨论大气和海洋中的垂直运动和层结稳定性奠定基础。 第二部分：宏观环流与保守量 在理解了基本方程之后，本书转向地球尺度上的宏观运动。我们详细探讨了环流理论，特别是埃克曼理论在海洋和大气中的应用。对于海洋，我们推导了风应力驱动下的表层水流（Ekman 螺旋）以及地转平衡在海洋环流中的作用，包括西边界流的形成机制。 在气象学方面，本书重点剖析了位涡（Potential Vorticity, PV）的概念。PV 被视为保守量在斜压流体中的推广，它在描述大气斜压不稳定性、中尺度涡旋以及平流层动力学中具有不可替代的作用。我们通过分析 PV 的输运方程，展示了行星尺度的角动量守恒如何塑造了 Hadley、Ferrel 和极地环流圈的纬向分布。 本书引入了正压和斜压运动的严格数学区分。通过对流体运动的扰动分析，我们详细阐述了斜压不稳定机制（如 Eady 和 Collman-Hale 模型），解释了中纬度气旋和反气旋的能量来源及其生命周期演变。 第三部分：地球流体中的波动与稳定性 地球流体系统充满了各种尺度的波动现象，这些波动是能量和物质输运的关键载体。本部分系统地研究了大气和海洋中的波动力学。 我们首先分析了惯性重力波，它们在三维流体中传播，并在地转平衡的背景下表现出特殊的色散关系。我们深入探讨了这些波如何将动量和能量从低频环流传输到高频扰动。 随后，重点放在了地球特有的波动：开尔文波（Kelvin Waves）、莫里森波（Moriarty Waves）和罗斯比波（Rossby Waves）。我们对罗斯比波的色散关系进行了详尽的推导和物理意义阐释，展示了它们在行星尺度上如何将热量从赤道向两极输送，并解释了海气耦合过程中“准定常波”（如布里格斯波）的形成。 此外，稳定性分析是本部分的核心。我们使用理查森数（Richardson Number）来量化层结对剪切流的抑制作用，并探讨了垂直风切变对湍流和混合过程的影响。 第四部分：地球流体中的摩擦、扩散与边界效应 虽然宏观尺度通常用无粘、无摩擦的理论来近似，但地球流体的边界层和内部摩擦对整体能量耗散至关重要。本书专门开辟章节讨论湍流理论的初步概念，着重于在地球流体背景下的应用。 我们研究了边界层内的动量和热量输运，包括近地表的气动粗糙度参数化，以及海洋表层由于风驱动引起的混合层（Mixed Layer）动力学。我们引入了相似性理论（Similarity Theory）的基本思想，用以描述在强梯度影响下动量通量的变化规律。 在海洋动力学部分，我们讨论了海洋内部的密度驱动环流，即“热盐环流”（Thermohaline Circulation）。我们详细分析了中尺度涡旋（Mesoscale Eddies）在海洋中水平混合和能量传递中的作用，并讨论了它们如何通过非线性相互作用来影响大型环流结构。 第五部分：耦合系统与气候背景 最后，本书将目光投向了大气和海洋的相互作用。我们探讨了海洋-大气相互作用的简化模型，例如耦合振子模型，以理解海气系统中的内部变率，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象的动力学基础。 我们还引入了地球系统科学的视角，讨论了行星边界层之外的对流层顶（Tropopause）的动力学，以及平流层中的稀薄大气如何通过重力波的传播和破碎来反馈影响对流层的环流。 本书的最终目标是提供一个统一的视角，使读者能够将经典的流体力学原理应用于复杂的、受地球几何和热力学驱动的真实流体系统，为更前沿的地球系统建模和研究打下坚实的基础。

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我一直对大气边界层（ABL）的物理过程感到着迷，这本书《Atmospheric Boundary Layer Flows》的出现，简直是为我打开了一扇新世界的大门。从第一章的引言开始，作者就以一种清晰而引人入胜的方式，铺垫了ABL在整个地球系统中的重要性。它不仅仅是一个抽象的物理概念，更是连接地表和自由大气之间的关键枢纽，深刻影响着天气、气候、空气质量，甚至是生态系统的运作。这本书并非简单地罗列公式和理论，而是通过大量的实例和实际观测数据，将ABLIIL的复杂性具象化。我尤其欣赏作者在处理湍流问题时的细腻之处，湍流的随机性和不可预测性常常让初学者望而却步，但这本书却能以一种循序渐进的方式，从最基本的纳维-斯托克斯方程出发，逐步引入雷诺平均、次网格尺度模型等概念，让读者能够逐步理解湍流的统计特性以及如何对其进行建模。其中关于能量和动量传输的章节，更是让我对ABL内部的能量交换有了全新的认识，理解了地表热通量、感热通量和潜热通量是如何驱动ABL的垂直混合，以及风切变如何在ABL中扮演的角色。书中对不同类型的ABL（如白天晴空下的对流边界层、夜间稳定的边界层、以及受地形影响的边界层）的详细阐述，也让我能够根据不同的实际场景，去理解ABL的独特结构和动力学特征。这种深度和广度的结合，使得这本书不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的大气科学家在耐心指导我这个新手，让我能够从宏观到微观，从理论到实践，全方位地领略ABL的魅力。

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说实话，一开始拿到《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书，我并没有抱太高的期望，毕竟关于大气边界层的内容，我之前也零散地接触过一些，总觉得要么过于理论化，要么过于碎片化。《Atmospheric Boundary Layer Flows》却给了我巨大的惊喜。这本书在梳理ABL理论框架方面做得非常出色，它从最基础的物理原理出发，层层递进，将复杂的概念分解成易于理解的组成部分。我特别喜欢作者在解释稳定性参数和摩尔科维奇长度时所使用的类比和图示，这些直观的解释让我能够迅速抓住核心概念。在讨论ABL垂直结构时，书中详细介绍了如何利用气象塔观测数据来分析风廓线、温度廓线以及湍流脉动，并且还提供了如何利用这些数据来计算地表能量平衡和动量通量的方法。这对于我这样需要进行实际数据分析的人来说，简直是如获至宝。书中对各种观测技术的介绍，从传统的风筝探测到现代的遥感技术，都让我大开眼界，也让我对ABL的研究手段有了更全面的了解。更让我印象深刻的是，作者在讨论ABL与自由大气的相互作用时，并没有回避其中的复杂性，而是通过引入边界层高度的概念以及能量和物质的交换过程，清晰地阐述了这种相互作用对整个大气环流的影响。这本书的另一个亮点在于它对数值模型在ABL研究中的应用进行了详尽的介绍，让我了解到如何利用各种模型来模拟ABL的演变过程，以及这些模型在天气预报和气候模拟中的作用。

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在我看来，《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书的价值，不仅仅在于它提供了大量的科学知识，更在于它塑造了我理解ABL问题的方式。作者在编写这本书时，显然是站在一个研究者的角度，思考读者在学习过程中可能遇到的困惑，并提前给出了周全的解答。例如，在讨论ABL内部的混合过程时，书中详细地分析了机械混合和热力混合的作用机制，以及它们是如何相互作用影响ABL的结构和发展。作者还深入探讨了ABL在不同时间和空间尺度上的变化特征，从小时尺度的日变化到季节尺度的变化，再到更大尺度的气候变化，都进行了细致的分析。我尤其欣赏书中对ABL与云层形成和发展的关系的讨论，它清晰地揭示了ABL中的抬升和混合过程是如何影响云的生成、演变和消散的，这对于我理解天气现象的形成有着重要的指导意义。书中对ABL与大气污染物传输的关联也进行了深入的阐述，它解释了ABL的湍流混合和垂直输送如何影响污染物的扩散和稀释，以及不同气象条件下污染物在ABL中的分布特征。这对于环境保护和空气质量预测工作来说，具有极其重要的参考价值。作者还提及了一些前沿的ABL研究课题，比如ABL与植被之间的相互作用，以及ABL对可再生能源（如风能）的影响，这些都为我提供了进一步探索的思路和方向。

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在我接触《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书之前，我对大气边界层的理解可以说是一知半解。这本书就像一位诲人不倦的导师，循序渐进地引导我深入探索ABL的奥秘。我尤其欣赏书中对ABL中湍流结构的详细刻画。从均匀湍流到非均匀湍流，从各向同性湍流到各向异性湍流，作者都进行了清晰的阐述，并结合了大量观测数据和理论模型来支持其论点。书中对ABL混合过程的深入分析，让我理解了机械混合和热力混合是如何协同作用，塑造ABL的垂直结构，以及它们是如何影响地表能量和物质的交换。我非常赞赏作者在讨论ABL高度估算时，所提供的多种方法的比较和评价，这对于我在实际工作中选择合适的方法非常有帮助。书中对ABL与臭氧层破坏、温室效应等全球性环境问题的关联性探讨，也让我对ABL研究的广泛影响有了更深的认识。它不仅仅是一个基础大气科学的研究领域，更与我们人类的生存环境息息相关。这本书为我打开了研究ABL的全新视角。

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《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书，让我对大气边界层有了全新的认识。它以一种非常系统和全面的方式，梳理了ABL的各个方面。我特别喜欢书中对ABL与地形相互作用的章节，它详细阐述了山脉、山谷、海陆交界等地形对ABL结构和动力学的影响，以及如何利用数值模型来模拟这些复杂的地形效应。书中对ABL中风廓线和温度廓线的分析，让我理解了这些廓线如何反映ABL的内部结构和能量传输过程，以及如何利用它们来计算地表通量。我印象深刻的是，作者在讨论ABL与云边界层（CBL）的关系时，并没有将它们割裂开来，而是强调了它们之间的相互影响和耦合过程。书中对ABL在不同气候类型下的表现的分析，也让我对ABL的区域性差异有了更深入的了解。它不仅仅是一本关于ABL的理论书籍，更是一本能够启发我思考和解决实际问题的工具书，它的内容对我未来的科研工作具有重要的指导意义，这本书是我在学习ABL过程中不可多得的宝贵财富。

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《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书，无疑是我近期阅读过的最令我印象深刻的专业书籍之一。它以一种系统、深入的方式，为我呈现了大气边界层丰富而迷人的世界。书中对ABL能量收支的详尽分析，让我深刻理解了地表能量如何被输送到大气中，以及ABL是如何将这些能量进行重新分配和混合的。作者通过大量清晰的图表和公式，将抽象的能量传输过程具象化，让我能够直观地感受到ABL的动力。我特别喜欢书中对ABL昼夜变化的研究，它清晰地描绘了白天对流边界层的形成和发展，以及夜间稳定边界层的结构特征，并详细解释了导致这些变化背后的物理机制。书中对ABL与气溶胶相互作用的探讨，也让我对空气质量的变化有了更深刻的理解，它解释了ABL的混合和输送如何影响气溶胶的浓度和分布。作者还讨论了ABL在不同地理区域的差异性，例如热带、温带和极地地区，这让我意识到ABL的特征并非千篇一律，而是受到地理位置和气候背景的深刻影响。这本书的理论深度和实践应用价值的结合，让我受益匪浅。

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阅读《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书，感觉就像是在与一位经验丰富的大气科学家进行对话。作者的写作风格非常严谨，但又不失生动，他善于用清晰的语言和翔实的例子来解释复杂的物理过程。我尤其欣赏书中关于ABL与微气象学联系的章节，它详细介绍了ABL的湍流特性如何影响地表能量平衡、蒸发蒸腾以及作物生长。书中对城市大气边界层（UABL）的专门讨论，更是让我对城市环境下的ABL特点有了深入的了解，例如城市热岛效应、城市地形对风场的影响以及城市污染物扩散的特殊性。书中还深入探讨了ABL在极端天气事件（如强对流、大雾、沙尘暴）形成和演变过程中的作用，这对于我理解和预测这些灾害性天气有着重要的启示。我特别喜欢书中对ABL边界条件的讨论，包括地表边界条件、自由大气边界条件以及侧边界条件，这些边界条件的设定对于ABL的数值模拟至关重要。作者还介绍了ABL研究的最新进展，包括利用高分辨率观测设备和先进的数值模型来研究ABL的精细结构和动力学过程，这让我对ABL的研究前景充满了期待。

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《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书，让我对大气边界层有了前所未有的认识。它以一种非常系统和全面的方式，梳理了ABL的各个方面。我特别喜欢书中对ABL与地形相互作用的章节，它详细阐述了山脉、山谷、海陆交界等地形对ABL结构和动力学的影响，以及如何利用数值模型来模拟这些复杂的地形效应。书中对ABL中风廓线和温度廓线的分析，让我理解了这些廓线如何反映ABL的内部结构和能量传输过程，以及如何利用它们来计算地表通量。我印象深刻的是，作者在讨论ABL与云边界层（CBL）的关系时，并没有将它们割裂开来，而是强调了它们之间的相互影响和耦合过程。书中对ABL在不同气候类型下的表现的分析，也让我对ABL的区域性差异有了更深入的了解。它不仅仅是一本关于ABL的理论书籍，更是一本能够启发我思考和解决实际问题的工具书，它的内容对我未来的科研工作具有重要的指导意义。

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《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书在内容深度和广度上都达到了相当高的水平。我个人对书中关于ABL沉降过程的讨论印象尤为深刻。作者不仅仅介绍了沉降的基本原理，还详细阐述了地表粗糙度、风速变化以及稳定性条件对沉降速率的影响。书中通过大量的观测数据和数值模拟结果，展示了不同地表类型（如森林、草地、城市）对ABL结构和能量交换的影响，这让我对地表-大气相互作用有了更直观的认识。在讨论ABL能量收支时，书中详细列出了各种能量项，并解释了它们之间的相互转化关系，这使得我对ABL的能量平衡有了更清晰的理解。我特别注意到书中对ABL高度预测模型的研究，作者不仅介绍了现有的几种常用模型，还对其优缺点进行了客观的评价，并对未来的发展方向进行了展望。这对于我进行ABL高度的估算和应用非常有帮助。书中对ABL与航空气象学的联系也进行了探讨，例如ABL的湍流对飞行安全的影响，以及ABL的垂直结构对飞机起飞和降落过程的重要性。这让我意识到ABL研究不仅在气候和天气领域具有重要意义，在工程领域也同样不可忽视。总的来说，这本书为我提供了一个系统而全面的ABL知识体系，让我能够更自信地去面对和解决ABL相关的各种问题。

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我必须承认，《Atmospheric Boundary Layer Flows》这本书的内容非常丰富，而且分析得相当透彻。作者在解释ABL能量传输机制时，使用了大量的观测数据和理论推导，让我能够清晰地理解地表能量是如何被输送到自由大气中的。我尤其欣赏书中对ABL中湍流能量耗散的讨论，它揭示了湍流能量是如何在ABL中转化为热能的，以及这种能量耗散是如何影响ABL的结构和动力学。书中对ABL高度预测模型的研究，更是让我大开眼界，它不仅介绍了多种模型，还对其进行了优缺点分析，并对未来的发展方向进行了展望。我非常赞赏作者在讨论ABL与天气现象的关联时，所举的丰富例子，例如ABL如何影响雷暴的发生和发展，以及ABL如何影响雾的形成和消散。这让我意识到ABL研究在天气预报领域的重要作用。总的来说，这本书为我提供了一个全面而深入的ABL知识体系，让我能够更自信地去面对和解决ABL相关的各种问题，它的内容对我今后的学习和研究具有不可估量的价值。

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