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出版者:Springer Verlag

作者:Meischner, Peter 编

出品人:

页数:355

译者:

出版时间:2005-8

价格:117

装帧:HRD

isbn号码:9783540003281

丛书系列:

图书标签:

• 气象雷达
• 天气预报
• 气象学
• 遥感
• 大气科学
• 雷达技术
• 气象数据
• 环境监测
• 自然灾害
• 科学普及

观测之眼：大气动力学前沿探索 图书名称：观测之眼：大气动力学前沿探索 作者： （此处可自行填入一位资深气象学家或相关领域学者的名字） 出版社： （此处可自行填入一家权威科学出版社的名字） 出版日期： （此处可自行填入一个合适的年份） --- 图书简介： 《观测之眼：大气动力学前沿探索》是一部全面深入、极具前瞻性的专著，它将读者的目光引向驱动我们星球气候系统的核心——大气动力学。本书旨在构建一座桥梁，连接基础物理学原理与当今最尖端的数值模拟和实时观测技术，为大气科学、气候学、乃至地球系统科学的研究者、工程师和高级学生提供一套严谨而富有启发性的知识框架。 本书的架构设计力求逻辑清晰，层层递进。它并非仅仅是对现有教科书知识的简单重复，而是着重于剖析那些在复杂天气现象和长期气候变化研究中起决定性作用的微观机制与宏观耦合。 第一部分：理论基石与运动方程的精炼重述 (Foundational Mechanics and Refined Equations) 本部分内容着眼于奠定大气动力学的理论基础，但视角更侧重于现代应用的需求。我们不再停留在经典的流体力学推导，而是直接深入到考虑地球自转、非静力效应和摩擦耗散的完整N-S方程组在气象坐标系中的形式。 1. 坐标系选择与刚性旋转参考系下的运动描述： 详细阐述了地心静止坐标系到地形跟随坐标系转换的物理意义，重点解析了科里奥利力和离心力的精确来源及其在不同尺度运动中的相对重要性。特别引入了非均匀旋转参考系下动量方程的修正项分析。 2. 气压、密度与热力学过程的耦合： 回顾并深化了静力平衡方程在非均匀加热环境下的局限性，引入了广义位势（Generalized Potential）的概念，用以更有效地描述垂直运动的驱动力。热力学部分聚焦于湿空气的绝热过程，详述了云系发展中潜热释放对动量场的影响——这往往是中尺度天气系统强化的关键驱动力。 3. 涡度、流线与环流的几何描述： 本书将涡度分析提升到更具三维解释力的水平，不仅仅关注水平涡度，更深入探讨了垂直涡度在气旋和反气旋发展中的角色。引入了“守恒量”的分析框架，如埃克曼螺旋的现代解读，以及在非线性系统中，这些量的守恒性质如何被湍流和混合过程所破坏。 第二部分：尺度分析与大气系统的分类 (Scale Analysis and System Classification) 理解不同尺度的物理过程如何相互作用，是区分天气学和气候学研究的核心。本部分通过严格的无量纲化分析，系统性地梳理了大气中的主要动力学范式。 1. 惯性平衡与地转平衡的边界： 详细比较了地转风、梯度风与惯性风之间的关系，并给出了衡量“地转性”的精确指标——罗斯比数（Rossby Number）在不同纬度和尺度下的临界值。特别探讨了在赤道附近，惯性效应如何主导动力过程，以及传统地转近似的失效区域。 2. 陀螺尺度（Geostrophic Scale）与中尺度（Mesoscale）的动力学： 重点分析了由重力波（Gravity Waves）和惯性波（Inertial Waves）驱动的动力过程。书中通过对布劳恩-弗里茨方程组（BLUMEN-FRITZ Equations）的简化应用，展示了中尺度对流系统（MCSs）边缘流场的形成机制，以及地形对波的传播和破碎的影响。 3. 浅水波理论在行星尺度上的应用： 虽然常用于海洋学，但本书深入探讨了将浅水波理论应用于行星尺度的长波（如开尔文波、惯性重力波）的有效性，尤其是在评估大气对外部强迫（如火山爆发或太阳辐照度变化）响应时，这种简化模型的优势。 第三部分：波动力学与气候变率的驱动机制 (Wave Dynamics and Drivers of Climate Variability) 本部分是本书的精华所在，它聚焦于大气中波浪现象如何组织能量、传递信息，并最终塑造我们所观测到的气候变率。 1. 倾斜对流与Ekman抽吸： 详细剖析了倾斜对流（Slanted Convection）的概念，探讨了其如何导致热带气旋的非对称结构和能量导入。引入了边界层内Ekman抽吸/下沉对云顶辐射冷却的反馈机制，揭示了边界层动力学在启动大规模对流爆发中的关键作用。 2. 准定常波与季节性振荡（季节性调制）： 深入研究了罗斯比波（Rossby Waves）在不同背景流场中的传播、反射和吸收机制。通过对白令海峡、格陵兰岛高压脊等关键区域的案例分析，阐释了地形和海洋热力学异常如何通过波的非线性相互作用，在不同时间尺度上维持或改变区域环流的“气候态”。 3. 极地涡旋的结构与断裂： 本书采用三维位涡逆流（Inverted Potential Vorticity）的概念，系统性地分析了极地涡旋的强度、形态和内部结构。特别关注了平流层-对流层耦合（STRAT-TROPO Coupling）对中纬度天气的影响，量化了平流层极涡异常事件（如SSW，突然的平流层极涡逆转）向地面传播的动力学路径和时间延迟。 第四部分：湍流、混合与数值模型的局限性 (Turbulence, Mixing, and Numerical Model Limitations) 现代大气动力学研究越来越依赖数值模拟，但理解模型中的物理参数化（Parameterization）和次网格尺度过程至关重要。 1. 湍流的标度律与混合系数： 在无组织湍流的框架下，本书探讨了大气边界层（ABL）内动量、热量和水汽的垂直混合过程。讨论了如何通过K-理论和高阶闭合模型（Higher-Order Closure Schemes）来估算随时间变化的湍流扩散系数，以及这些系数在晴空辐射冷却和夜间逆温层发展中的敏感性。 2. 湿对流参数化方案的动力学基础： 本书对经典的Arakawa-Schubert方案及更现代的“系综”参数化方案进行了批判性回顾。重点分析了不同方案在模拟降水效率、对流有效分离尺度（CELS）以及对背景环流的反馈机制上的差异，强调了清晰的动力学边界条件对参数化方案准确性的约束。 3. 模式动力核的局限性： 最后，本部分对当前主流高分辨率数值模式中的动力内核进行了审视。分析了时间积分方案（如半隐式/显式方案）对高频波（如声波、重力波）的数值色散和能量耗散的影响，并讨论了在超高分辨率下，如何从“参数化”驱动转向“解析”驱动的动力学研究范式转变所面临的挑战。 --- 目标读者： 本书适合所有从事大气科学、气象学、气候学、地球物理流体力学、航空航天工程以及相关领域研究和教学工作的人士。它要求读者具备扎实的微积分和线性代数基础，并对经典流体力学有初步了解。 本书的特点： 强调物理直觉： 理论推导后紧跟直观的物理图像解释。 聚焦前沿： 涵盖了当前学术界最活跃的研究领域，如平流层-对流层耦合、海洋-大气遥相关。 深度剖析： 对经典理论进行现代化的重新诠释，不再满足于表面的公式应用。 《观测之眼：大气动力学前沿探索》提供了一套强健的思维工具，帮助读者不仅“描述”天气，更能“理解”驱动其演变的深刻动力学原理。

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