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出版者:Oxford University Press, USA

作者:F. W. Taylor

出品人:

页数:232

译者:

出版时间:2005-9-1

价格:USD 70.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780198567349

丛书系列:

图书标签:

气候物理
大气科学
地球物理
气候变化
热力学
辐射传输
流体力学
数值模拟
环境科学
物理学

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具体描述

Climate Physics is a modern subject based on a space-era understanding of the physical properties of the atmosphere and ocean, their planetary-scale history and evolution, new global measurement systems and sophisticated computer models, which collectively make quantitative studies and predictions possible. At the same time, interest in understanding the climate has received an enormous boost from the concern generated by the realization that rapid climate change, much of it forced by the relentless increase in population and industrialization, is potentially a serious threat to the quality of life on Earth. Our ability to resist and overcome any such threat depends directly on our ability to understand what physical effects are involved and to predict how trends may develop. In an introductory course like that presented here, we want to clarify the basics, topic by topic, and see how far we can get by applying relatively simple Physics to the climate problem. This provides a foundation for more advanced work, which we can identify and appreciate at this level although of course a full treatment requires more advanced books, of which there are many.

现代气候系统的动力学基础与前沿研究一本深入剖析地球气候系统复杂性、驱动机制与未来演变的权威著作。本书旨在为气候科学、地球物理学、环境工程以及相关领域的研究人员、高年级本科生和研究生提供一个全面、深入且与时俱进的知识框架。我们超越了基础的气候学概念，专注于现代气候系统内部的复杂动力学过程、能量传输机制以及关键的反馈回路。全书结构严谨，内容涵盖了从行星尺度辐射平衡到区域尺度的极端天气事件生成机理，强调最新的观测数据、数值模拟技术与理论模型的结合。第一部分：气候系统的基本框架与能量收支本部分奠定理解地球气候系统的基础，重点探讨行星尺度的能量平衡与大气环流的驱动力。第一章：地球能量预算的精细化重估本章详细审视了地球大气层、海洋、陆地和冰冻圈之间的复杂能量交换。我们将深入分析：太阳辐射的接收与传输：详细探讨米氏散射、瑞利散射以及臭氧吸收的定量模型。特别关注云层对短波辐射的反射效应及其不确定性来源。红外辐射的再分配：剖析温室气体（水汽、二氧化碳、甲烷等）的吸收谱线特性，引入“有效辐射层”的概念，并使用高光谱分辨率数据对辐射强迫的计算方法进行严谨的论述。地表能量平衡的局地差异：分析潜热通量、感热通量、净对流热通量在不同下垫面（森林、城市、沙漠、海洋）上的差异化表现，以及这些差异如何驱动局地微气候的形成。第二章：大尺度环流的动力学基础本章是理解全球风带和洋流系统的核心。我们将运用流体力学和热力学的基本原理，构建宏观气候现象的理论模型。科里奥利力与地转平衡：详细推导地转风方程，并讨论其在对流层中高层的适用性及局限性。热力环流的驱动：重点分析哈德里环流、费雷尔环流和极地环流的形成机制，引入爱克曼输运和热力梯度在环流维持中的作用。中尺度现象的动力学：探讨行星涡度守恒定律在理解温带气旋和反气旋发展中的应用，并引入斜压不稳定性理论来解释中纬度锋面系统的生命周期。第二部分：海洋、冰雪与相互作用气候系统不仅是大气现象，海洋和冰雪圈的反馈机制对长期气候变化至关重要。本部分聚焦于这些关键储能库与气候系统的耦合。第三章：海洋热量输送与气候变率本章聚焦于海洋在全球气候系统中的“惯性”和“热容”作用。海洋的垂直热力结构：详细阐述温跃层（Thermocline）的形成、深度变化及其对海气通量的影响。大洋环流的动力学：深入分析风力驱动的表面流（如西边界流）和密度驱动的深层环流（大洋温盐环流，THC）。我们将重点讨论大西洋经向翻转环流（AMOC）的变率及其对北大西洋气候的影响。 ENSO系统的高级模型：不仅描述厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的现象，更深入探讨了东太平洋（Canonical）和印度洋-太平洋（Modoki）事件的动力学差异，以及热带海洋大气耦合振荡（Bjerknes反馈）的数学描述。第四章：冰雪圈的辐射与质量反馈冰雪圈是气候系统中最敏感的组成部分之一，其变化具有显著的正反馈效应。反照率反馈机制的量化：建立简单模型来计算地表反照率变化对局地辐射强迫的贡献，特别是海冰融化和永久冻土退化的影响。冰盖动力学与海平面：探讨冰川和冰盖（如格陵兰和南极冰盖）的物质平衡方程，区分了动态崩解（Marine Ice Cliff Instability, MICI）和热融化过程对未来海平面上升的贡献。积雪持续时间与土壤碳释放：分析季节性积雪覆盖对地表温度的调控作用，并初步探讨冻土融化对碳循环的潜在冲击。第三部分：云、气溶胶与反馈回路本部分探讨了气候模型中不确定性最大的领域——云的辐射效应和气溶胶的直接/间接影响，以及系统的关键反馈。第五章：云的辐射效应与气候敏感性云是气候系统中最复杂的要素，它们既能冷却（反射太阳光）也能增温（捕获红外辐射）。云的分类与辐射特性：根据高度、光学厚度和相态（水、冰）对云进行分类，并使用辐射传输模型计算其净辐射效应。云反馈机制的数值模拟：重点讨论对流层高层卷云（增温效应）与低层积云（冷却效应）在气候变暖背景下的演变趋势。分析了模式间云反馈差异的主要来源，如云顶高度的变化。云凝结核（CCN）与云形成过程：探讨海洋和陆地来源的CCN对云滴谱的影响，以及这种影响如何通过降水效率传递到气候反馈中。第六章：气溶胶的复杂影响与辐射迫近气溶胶通过散射、吸收辐射和作为云的凝结核，对全球气候产生显著影响。直接辐射效应：区分硫酸盐、黑碳（BC）和有机碳（OC）的吸收和散射特性。重点分析黑碳对高海拔冰雪反照率的“暗化”效应。间接辐射效应（云的改变）：再次深化CCN的作用，分析气溶胶通过影响云滴尺寸分布而改变云的寿命和反照率（Twomey效应）。气溶胶的区域性沉降与气候热力学：研究亚洲棕色云团（Brown Cloud）等区域性污染事件对季风系统和区域降水模式的非线性影响。第四部分：极端事件、古气候与未来投影本部分将理论与应用相结合，关注气候系统在当前和未来变化下的响应，特别是极端事件的归因与古气候的启示。第七章：极端天气事件的归因与可预测性气候变暖背景下，极端温度、降水和热带气旋的频率和强度变化是公众关注的焦点。气候归因方法学：介绍统计归因（Attribution Science）的基本框架，包括“基于模型的归因”和“基于观测的归因”，量化特定极端事件发生的概率变化。热浪与湿度的联系：探讨开尔文波和大气遥相关对区域热浪持续时间的影响，以及克劳修斯-克拉佩龙关系在极端降水强度增强中的作用。热带气旋的结构变化：分析高海温如何影响热带气旋的快速增强（Rapid Intensification）机制，以及风暴潮和降水对沿海灾害的复合影响。第八章：古气候记录与敏感性约束通过回顾地球过去的气候状态，可以更好地约束未来气候模型的参数。深时气候的驱动力：考察米兰科维奇旋律（Milankovitch Cycles）对冰期-间冰期转换的控制机制，特别是轨道参数变化如何影响北半球的辐射强迫。海洋与大气古成分的重建：深入探讨氧同位素（$delta^{18}O$）和碳同位素（$delta^{13}C$）在重建古海洋温度和冰量变化中的应用。气候敏感性的古约束：利用中新世温暖期或古新世-始新世极热事件（PETM）的数据，为确定长期气候敏感性（Equilibrium Climate Sensitivity, ECS）提供独立的证据，并讨论这些古气候情景与当前人为驱动变化的异同。本书最终将气候科学的各个分支有机地整合在一起，强调跨圈层相互作用的系统性视角，为读者提供一个理解和预测未来气候变化所需的深度理论工具和前沿视野。