Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics

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出版者:Cambridge University Press
作者:James C. McWilliams
出品人:
页数:266
译者:
出版时间:2006-7-20
价格:GBP 66.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780521856379
丛书系列:
图书标签:
  • 大气科学
  • 地球物理流体动力学
  • Geophysical Fluid Dynamics
  • Oceanography
  • Atmospheric Science
  • Meteorology
  • Fluid Mechanics
  • Climate Modeling
  • Ocean Circulation
  • Atmospheric Circulation
  • Geophysics
  • Mathematical Physics
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具体描述

This book was first published in 2006. Earth's atmosphere and oceans exhibit complex patterns of fluid motion over a vast range of space and time scales. These patterns combine to establish the climate in response to solar radiation that is inhomogeneously absorbed by the materials comprising air, water, and land. Spontaneous, energetic variability arises from instabilities in the planetary-scale circulations, appearing in many different forms such as waves, jets, vortices, boundary layers, and turbulence. Geophysical fluid dynamics (GFD) is the science of all these types of fluid motion. This textbook is a concise and accessible introduction to GFD for intermediate to advanced students of the physics, chemistry, and/or biology of Earth's fluid environment. The book was developed from the author's many years of teaching a first-year graduate course at the University of California, Los Angeles. Readers are expected to be familiar with physics and mathematics at the level of general dynamics (mechanics) and partial differential equations.

涡旋动力学导论:流体运动的深层机制 作者: [此处留空,为保持简介的独立性,不提及原书作者] 出版社: [此处留空,以聚焦内容本身] 页码: 约 650 页 --- 内容概述 《涡旋动力学导论》是一部聚焦于流体力学核心现象——涡旋(Vortex)——的专著。本书旨在系统性地梳理和深入探讨流体中涡旋的产生、演化、相互作用及其在宏观尺度流动结构中所扮演的关键角色。它不仅仅是一本理论物理的教科书,更是一本面向应用物理、气象学、海洋学以及工程流体力学研究人员和高年级学生的参考指南。 本书的基石建立在纳维-斯托克斯方程的框架之上,但其核心价值在于超越标准教科书对简单的层流和湍流描述,而是深入挖掘涡旋结构所具备的内在守恒律和拓扑特性。全书结构严谨,从最基础的流线和涡量概念出发,逐步过渡到二维与三维涡旋的精确解,再深入到复杂的涡旋群组动力学。 核心章节与重点内容 第一部分:涡旋的数学基础与拓扑结构(Fundamentals and Topology) 本部分奠定了理解涡旋动力学的数学语言。我们避免了对已广泛讨论的边界层理论的重复,而是将重点放在流体微团的旋转度量(如角速度、涡量密度)如何在不同坐标系下保持一致性。 涡量的定义与守恒: 详细阐述了柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)对涡量传输的早期洞察,并引入了亥姆霍兹涡旋定理的精确表述及其在无粘性流体中的不可压缩性限制。重点分析了粘性项对涡量扩散和耗散的影响,特别是通过引入涡量扩散方程,探讨了黏滞效应对涡旋核心精细结构的影响机制,而非简单地计算雷诺数。 拓扑不变量: 深入讨论了流体拓扑结构的重要性,包括赫尔曼·施密特(Hermann Schmidt)对环形涡旋(Toroidal Vortex)的早期建模。特别关注了纽结(Knot)和链(Link)结构在三维流动中如何作为准粒子(Quasi-particles)存在,尽管这些结构在实际测量中难以直接观察,但其对能量和动量的束缚效应至关重要。 第二部分:经典涡旋模型的精细分析(Detailed Analysis of Canonical Vortices) 本部分侧重于对几种关键涡旋模型的解析解和稳定性分析,这些模型是理解复杂流动的基石。 伯格斯涡旋(Burgess Vortex)与皮诺涡旋(Pinchoff Vortex): 不仅展示了这些模型在轴对称情况下的速度剖面,更重要的是,对它们在非线性扰动下的稳定性进行了详细的李雅普诺夫(Lyapunov)分析。讨论了这些稳定结构如何抵抗随机噪声的破坏。 库埃特-泰勒(Couette-Taylor)与瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)失稳后的涡旋组织: 侧重于在受限几何(如两个同心圆柱间隙)内,原始的环状涡旋如何通过非线性反馈机制演化为更复杂的、具有波状结构(如Kármán-Tomlinson波)的二次涡旋。 二维涡旋对: 对两个相距遥远的二维涡旋(如皮埃尔·雷诺对)的相互作用进行了详细的拉格朗日点分析,并引入了涡量谱的有效理论来描述其背离经典拉格朗日运动的修正项。 第三部分:三维涡旋的复杂结构与相互作用(Three-Dimensional Structures and Interactions) 这是本书的创新性部分,将重点放在实际三维流动中涡旋线和涡丝(Vortex Filaments)的动力学行为。 涡丝动力学(Vortex Filament Theory): 详细推导了贝塞尔-贝克方程(Bessel-Bäcklund Equation)在描述柔性涡丝传播时的应用。本书着重于分析涡丝扭曲(Kinking)和交叉(Reconnection)的局部机制,强调了涡量重联(Vortex Reconnection)中动量和能量的非保守性瞬时转移。 湍流中的尺度相互作用: 借鉴了卡尔曼(Kalman)和莱维奇(Levich)在非均匀湍流中的工作,分析了从大尺度到小尺度涡旋(即能量级串)的能量传递效率。重点讨论了涡旋“雪崩”(Vortex Avalanche)现象,即单个大涡旋快速解体为多个小涡旋的过程,而非传统的Kolmogorov假设下的平滑谱演化。 环流的量化与束缚: 深入探讨了“绑定涡旋对”(Bound Vortex Pairs)的形成条件,特别是在三维自由剪切层(Free Shear Layers)中,这些对如何充当能量的“陷阱”,延缓其向更小尺度的耗散。 第四部分:涡旋在宏观系统中的表现(Vorticity in Geophysical and Engineering Contexts) 本部分将理论框架应用于实际的宏观流动系统,但视角独特,聚焦于局部的涡旋特性如何决定整体系统的行为。 大气和海洋中的涡旋结构: 讨论了中尺度气旋和反气旋中的非绝热过程如何修正惯性稳定性。重点分析了热带气旋中眼壁的涡旋管的形成和维持机制,并对比了其与实验室中受限腔体中涡旋的异同。 人造涡旋: 考察了喷气发动机尾流和火箭喷流中的环量注入对周围流场的长期影响。引入了涡度预算分析(Vorticity Budget Analysis)来量化喷口附近因剪切层不稳定性而产生的涡量。 非牛顿流体中的涡旋: 简要探讨了在剪切变稀或剪切增稠流体中,由于应力张量各向异性,涡量输运的机制如何偏离标准对流扩散方程,特别是高分子溶液中涡旋的“记忆效应”。 适用读者 本书要求读者具备扎实的矢量微积分和经典流体力学基础。它特别适合: 1. 致力于计算流体力学(CFD)建模的工程师,需要更精确地解析网格中的涡度场。 2. 从事大气、海洋或天体物理流体力学研究的人员,希望深入理解涡旋拓扑和非线性动力学。 3. 寻求超越标准教科书,理解湍流结构中涡旋作用机制的研究生和博士后。 《涡旋动力学导论》旨在提供一个深入、不妥协的视角,揭示流体世界中旋转结构的复杂性和美感,为未来的流动控制和预测提供坚实的理论武器。

作者简介

目录信息

读后感

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It is good for reference. But not for student to learn it as textbook......It is too general......

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用户评价

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我对《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》这本书的评价,可以用“惊艳”二字来形容。作者在本书中展现出的对地球物理流体动力学领域的热情和深刻理解,令人肃然起敬。他不仅能够精准地描述复杂的物理过程,更能以一种极具启发性的方式,将这些过程的内在逻辑呈现给读者。从流体静力学平衡的建立,到大气和海洋的动力学演变,本书如同一幅精美的画卷,徐徐展开地球系统的壮丽图景。我特别欣赏作者在讲解“边界层理论”时,那种对动量、能量和质量在地球表面和大气、海洋界面之间交换的细致刻画,这对于理解气候、天气以及水文循环至关重要。书中对“地形强迫”、“热力强迫”和“惯性强迫”等概念的深入探讨,让我能够从更本质的层面去理解地球流体运动的驱动机制。作者在处理一些非常前沿的课题时,例如关于“地球系统模式”的构建和应用,也给予了非常清晰的介绍,这让我对未来地球科学的研究方向有了更深的认识。这本书的深度和广度都令人叹为观止,它不仅是一本教材,更是一部启迪思想的著作。

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我最近拜读了《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》,这本书给我留下了极为深刻的印象。作为一名对地球运动规律充满好奇心的非专业读者,我一直以来都对大气和海洋的神秘运动感到着迷。而这本书,以一种极其友好和循序渐进的方式,将我引入了这个迷人的领域。作者并没有一开始就抛出大量枯燥的公式,而是从我们日常生活中能观察到的现象入手,比如风的形成、河流的流淌,然后逐步引申到更宏观、更复杂的地球系统中的流体运动。书中对“压力梯度力”和“惯性力”的解释,是我理解许多大气和海洋现象的入门,作者通过图文并茂的方式,让我能够直观地感受到这些力的作用。我对书中对“浮力和稳定性”的探讨尤为感兴趣,这对于理解云的形成、大气对流以及海洋层化有着至关重要的作用。作者在讲解这些概念时,总是能提供非常贴切的例子,比如利用温度和密度的差异来解释浮力的产生,这让我很容易将抽象的理论与现实联系起来。这本书的语言风格流畅而富有启发性,让我感觉就像在与一位经验丰富的老师进行一对一的交流,他耐心解答我的每一个疑问,并引导我发现更多的未知。

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《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》这本书,对于任何想要深入理解地球运动规律的读者来说,都无疑是一份宝贵的财富。作者在书中将艰深晦涩的数学理论,与我们赖以生存的地球环境紧密地联系在了一起,使得原本冰冷的公式充满了生命力。从大气的垂直分层,到海洋的水平分层,再到两者之间的相互作用,本书构建了一个完整而系统的地球流体动力学框架。我尤其被书中对“地转偏向力”的精妙解释所吸引,作者通过形象的比喻和清晰的图示,将这个看似抽象的物理效应,转化为理解天气系统、洋流运动的钥匙。本书对“势流”、“涡旋动力学”以及“倾斜耦合”等概念的阐述,为我理解更为复杂的地球物理现象打下了坚实的基础。在讲解一些重要的大尺度环流模式时,作者并没有仅仅罗列公式,而是深入剖析了驱动这些环流的物理机制,以及它们如何与地球的自转、地形和太阳辐射相互作用。这本书让我深刻体会到,地球是一个动态的、相互连接的复杂系统,而流体动力学则是理解其运作机制的核心。它不仅提升了我对地球科学的认知,更激发了我对未来地球环境研究的探索热情。

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《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》这本书,在我看来,是一部真正意义上的“百科全书”式的著作,它以其无与伦比的全面性和深刻性,为读者构建了一个完整而系统的地球物理流体动力学知识体系。作者在书中对各种尺度的流体运动进行了详尽的阐述,从微观的湍流扩散,到宏观的大气环流和海洋环流,无不涵盖其中。我尤其赞赏作者在解释“惯性力”在地球系统中的作用时,那种对科里奥利效应的深入剖析,这对于理解北半球和南半球风的偏转方向,以及台风的形成机制至关重要。本书对“地形效应”在流体动力学中的作用的讨论,让我深刻理解了山脉和海岸线如何影响风和洋流的分布。作者在讲解“波动现象”时,对重力波、开尔文波、罗斯贝波等不同类型波动的传播机制和特征进行了详细的介绍,这对于我理解地球系统中的能量传递和物质输送有着极大的启发。本书的学术价值极高,其严谨的数学推导与丰富的物理概念相结合,为我提供了深入研究地球科学的坚实基础。

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这本书,即《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》,真是一部将理论深度与应用广度完美结合的典范。作为一名从事环境科学研究的学生,我一直觉得地球物理流体动力学是理解许多环境变化过程的关键,但苦于缺乏一本能够系统入门的教材。这本书的出现,无疑解决了我的燃眉之急。作者从流体静力学基本概念讲起,逐步深入到如何用这些基本定律来解释诸如季风、信风等大气环流现象,以及墨西哥湾暖流、黑潮等重要洋流的形成与演变。书中对“无粘性流体”和“粘性流体”在地球系统中的不同表现以及转换机制的讨论,让我对流体行为的多样性有了更深的理解。我特别欣赏作者在讲解“热力学定律在地球系统中的应用”这一章节时,那种由浅入深的逻辑递进,从能量守恒到熵增原理,再到如何解释大气和海洋中的能量转化与耗散,都让我觉得豁然开朗。本书对“环流”概念的解读,不仅仅停留在宏观的运动描述,更深入到其背后的驱动力、阻力以及能量交换机制,这对于我理解气候变化和环境污染的扩散过程有着直接的指导意义。这本书的价值,不仅在于它提供了丰富的知识,更在于它教会了我如何将这些知识应用于解决实际问题。

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《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》这本书,可以说是我近年来阅读过的最令人印象深刻的学术专著之一。作者在书中以一种极其精妙的方式,将抽象的物理定律与我们所处的地球环境紧密地联系起来,从而揭示了地球系统运行的内在规律。从最基础的流体运动概念,到更为复杂的地球大尺度环流模式,本书都给予了详尽而深入的阐述。我尤其被书中对“垂直运动”和“水平运动”在地球系统中相互作用的精彩描述所吸引。作者通过对“绝热过程”、“辐射强迫”和“对流不稳定性”的讲解,让我能够更好地理解大气和海洋的垂直混合以及能量的垂直输送。我对书中对“洋流的温盐环流”这一章节的论述尤为赞赏,作者深入浅出地解释了温度和盐度如何驱动全球性的海洋环流,从而影响着地球的气候。本书不仅提供了丰富的知识,更重要的是,它教会了我如何用一种系统性的、动力学的方式去思考地球上的各种现象。它为我提供了一个强有力的工具,去理解和分析那些对我们生活产生深远影响的地球系统过程。

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《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》这本书,其内容的丰富性和结构的严谨性,足以令任何一位对地球科学怀有热情的人士感到震撼。作者以一种几乎是百科全书式的视角,将地球物理流体动力学的各个分支领域进行了系统性的整合。从基础的流体力学方程组,到如何解析行星尺度的大气环流、洋流的驱动机制,再到对厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)等全球性气候现象的深入探讨,本书都给予了详尽而精辟的阐述。我印象最深的是书中关于“准地转近似”的章节,作者不仅详细推导了这一近似条件下的动力学方程,更重要的是解释了它在简化复杂问题、突出核心物理机制方面的巨大作用。这对于理解许多宏观尺度的地球物理现象至关重要。此外,本书对重力波、惯性波等在地表和海洋中传播机制的描述,也让我对能量在地壳、大气和海洋之间的传递有了更清晰的认识。作者在处理这些理论性很强的概念时,总是能巧妙地穿插一些经典的实验和观测证据,使得枯燥的公式背后有了鲜活的生命力。这本书不仅仅是理论知识的堆砌,更是思维方式的培养,它鼓励读者从更宏观、更动态的视角去理解我们所生活的地球。

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《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》这本书,可以说是我近期遇到的最令人振奋的学术专著之一。作为一名在地球科学领域摸爬滚打多年的研究者,我一直寻求一本能够系统梳理并深化我对地球物理流体动力学理解的权威教材,而这本书恰恰满足了我的需求。它不仅仅是一本介绍基本原理的读物,更是一部蕴含着深刻洞察和前沿思考的著作。作者在阐述非线性动力学、湍流理论以及地球系统中各种尺度流动现象时,展现出了极高的学术造诣。书中对大气环流模式、海洋环流模式以及它们之间相互作用的深入剖析,让我对全球气候变化的研究有了更深刻的认识。我特别赞赏作者在介绍数值模拟方法时,并没有局限于理论介绍,而是深入探讨了不同数值方案的优缺点以及在实际应用中可能遇到的挑战,这对于指导我今后的科研工作具有极大的参考价值。书中对拉格朗日描述和欧拉描述的对比分析,对涡度方程和散度方程的推导,以及对波动传播机制的详尽阐述,都让我受益匪浅。更令人印象深刻的是,作者在讨论一些复杂现象时,能够巧妙地将理论推导与观测数据相结合,为我们提供了理解地球系统运作的全新视角。这本书的深度和广度都达到了令人惊叹的水平,它的出版无疑将对地球物理流体动力学领域的研究产生深远的影响,我个人将把它作为日后查阅和研究的重要参考资料。

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我最近有幸翻阅了《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》,这本书绝对是该领域的一部里程碑式著作。作为一名初学者,我一开始对地球物理流体动力学这个听起来有些高深的领域感到一丝畏惧,但这本书的出现彻底打消了我的疑虑。作者以一种极其系统且循序渐进的方式,将复杂的概念一一剖析,从最基础的流体静力学平衡,到大气和海洋环流的宏观动力学,再到诸如科里奥利力、地转平衡等关键物理原理,无不阐述得清晰透彻。书中大量的插图和图表更是神来之笔,它们将抽象的数学公式转化为直观的物理图像,让我得以窥见地球系统中那些宏伟而动态的景象。例如,书中对热带气旋形成机制的解释,通过精妙的图示,将空气动力学、热力学以及地球自转的综合效应一一呈现,让我仿佛亲眼目睹了风暴的孕育与发展。而且,作者在讲解过程中,非常注重理论与实际的结合,常常会引用现实世界中的大气和海洋现象作为例证,这极大地增强了学习的趣味性和有效性。即使是我这种对流体力学并非十分精通的读者,也能在作者的引导下,逐步建立起对地球物理流体动力学的坚实理解。我尤其欣赏书中在介绍一些复杂模型时,并没有一味地堆砌公式,而是深入浅出地解释其背后的物理意义和应用场景,这使得原本枯燥的理论知识变得生动有趣。总而言之,这本书为我打开了一扇通往地球科学奥秘的大门,我强烈推荐给所有对地球的运动规律感兴趣的朋友们,无论是学生还是研究人员,都能从中获益匪浅。

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我在阅读《Fundamentals of Geophysical Fluid Dynamics》的过程中,体验到了一种前所未有的智识上的愉悦。这本书的作者显然是一位在这一领域有着深厚积累且富有教学天赋的学者。他处理复杂物理概念的方式,仿佛是在为一位极具好奇心但又需要严谨引导的学生量身定做课程。从流体动力学的基本守恒定律开始,到如何将其应用于解释大气和海洋的复杂运动,作者的逻辑清晰得如同潺潺流水,润物无声地将知识注入读者的脑海。书中对尺度分析的强调,让我意识到在研究地球系统时,如何根据不同的空间和时间尺度选择合适的理论框架,这对于避免掉入过于复杂或过于简化的陷阱至关重要。书中对能量传输、动量交换以及热量输送等过程的细致描述,揭示了地球系统中能量平衡的精妙机制。我尤其喜欢作者在讲解边界层理论时,那种将数学模型与实际观测相结合的叙述方式,让我能够更直观地理解那些对近地表环境产生至关重要影响的物理过程。这本书不仅提供了知识,更重要的是教会了我如何思考,如何用物理学的视角去审视地球的运行。它不仅是一本教材,更像是一位循循善诱的导师,指引我探索这个充满活力的星球。

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