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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Richard B. Kemp

出品人:

页数:112

译者:

出版时间:1971-1-15

价格:USD 40.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780750617369

丛书系列:

图书标签:

• 气象学
• 气象
• 天气
• 气候
• 大气科学
• 自然科学
• 科学
• 环境科学
• 地球科学
• 观测

《气候观测与分析》 前言 气候，作为地球大气层长期运行的宏观表现，其复杂性、动态性以及对人类社会和自然环境的深远影响，一直吸引着无数科学家和研究者的目光。从古至今，人类从未停止过对气候变化的观察、记录和探索。我们赖以生存的家园，其气候模式的每一次细微变动，都可能牵动着农业的收成、水资源的分配、生态系统的平衡，乃至全球的经济和地缘政治格局。《气候观测与分析》一书，正是基于这种对理解和把握地球气候系统核心需求的认知，旨在为读者提供一个全面、系统、深入的视角，去探索气候现象的奥秘，理解其背后的驱动机制，并学习如何通过科学的观测和分析来揭示气候变化的趋势与规律。 本书并非一本仅仅罗列数据的教科书，也不是一套空洞的理论模型堆砌。它更侧重于将抽象的气候科学概念，通过具体的观测手段、数据处理方法和分析工具，转化为可感知的、可理解的知识。我们相信，只有真正掌握了观测的精髓，理解了数据的价值，才能更准确地把握气候的脉搏，预测其未来的走向，并为应对气候变化带来的挑战提供坚实的科学依据。 本书的写作，汇集了多位在气象学、大气物理学、遥感科学以及数据科学等领域深耕多年的专家学者的智慧结晶。我们力求以严谨的科学态度，清晰的逻辑结构，生动的案例分析，将复杂的气候科学知识，以一种易于理解且富有启发性的方式呈现给广大读者，无论是专业研究人员，还是对气候科学感兴趣的爱好者，都能从中获得宝贵的收获。 第一部分：气候观测的基础 气候的理解，始于观测。精确、连续、广泛的气候观测，是构建气候模型、验证理论、理解气候变化趋势的基石。本部分将详细介绍气候观测的各个方面，从历史悠久的地面观测，到现代化的卫星遥感技术，再到新兴的众包感知网络，为读者构建一幅完整的气候观测图景。 第一章：地面气象观测站网络 地面气象观测是历史最悠久、最基础的气候观测方式。本章将深入探讨地面气象观测站的建设、运行及其观测要素。我们将介绍不同类型的观测站，包括基本气象站、专业观测站（如降水站、风速站）、以及高山站和海洋站的特殊性。 观测仪器与技术： 详细讲解温度计（玻璃管温度计、电子温度计）、湿度计（干湿球湿度计、电子湿度计）、气压计（水银气压计、气压传感器）、风向风速仪（风向标、三杯风速仪、超声波风速仪）、雨量计（翻斗式雨量计、称重式雨量计）、蒸发皿等关键仪器的原理、误差来源及其校准方法。 观测要素与记录： 阐述气温（最高、最低、平均）、湿度（相对湿度、绝对湿度）、气压（海平面气压、地面气压）、风（风速、风向、阵风）、降水（雨、雪、冰雹的量和类型）、日照时数、能见度、云量、云状、天气现象（如雷暴、雾、霜、冰凌）等核心观测要素的定义、测量方法和标准。 观测站网的布局与管理： 讨论理想的观测站网布局原则，包括密度、空间代表性、地形影响等。介绍国际气象组织的观测站编号系统、数据质量控制流程以及人工观测向自动化观测的转变过程。 历史数据与均一化： 探讨如何处理历史观测数据，包括仪器更换、站址迁移、观测方法改变等带来的均一化问题，以及常用的均一化技术，以保证数据的可比性。 第二章：高空气象观测 大气层并非只在地面活动，高空气象观测对于理解大气环流、天气系统演变至关重要。本章将重点介绍高空气象观测的技术与应用。 探空气球与探空仪： 详细介绍探空气球（皮托管、填充气体、升空过程）和探空仪（Radiosonde）的工作原理，包括其搭载的传感器（温度、湿度、气压传感器）以及无线电传输数据的方式。 雷达与卫星遥感： 天气雷达： 介绍多普勒雷达、厘米波雷达、毫米波雷达等不同类型的雷达，重点讲解其工作原理（发射电磁波，接收回波），以及如何通过雷达回波强度、速度、偏振信息来探测降水、风场、风暴结构等。 卫星遥感： 介绍极轨卫星和地球同步卫星的特点，以及它们搭载的遥感仪器（可见光、红外、微波传感器）如何获取地表温度、云层信息、大气成分、辐射平衡等数据。重点讲解不同遥感产品的应用，如云图、海面温度图、植被指数等。 自动气象站与自动气象浮标： 讨论海上和偏远地区自动气象站及气象浮标在获取海洋、极地等区域气候数据方面的作用，以及其面临的技术挑战。 第三章：非常规与新兴观测技术 随着科技的进步，越来越多的非常规和新兴技术正在为气候观测提供新的视角和可能性。 激光雷达（Lidar）与探空仪： 介绍激光雷达在探测大气气溶胶、云层高度、温室气体浓度等方面的应用。 航空器与无人机观测： 讨论固定翼飞机、直升机以及无人机在特定区域（如极端天气事件期间、森林火灾区域）进行精细化、高分辨率大气剖面观测的优势。 公民科学与众包感知： 探讨如何利用社会大众的力量，通过手机App、个人传感器等方式，收集更广泛、更密集的气候数据，以及这些数据的质量控制与应用前景。 物联网（IoT）与智能传感器： 展望物联网技术在构建大规模、低成本气候传感网络方面的潜力，以及智能传感器在数据采集、预处理和传输中的作用。 第二部分：气候数据的处理与分析 观测到的原始数据，需要经过精心的处理和严谨的分析，才能转化为有意义的气候信息。本部分将聚焦于气候数据的质量控制、统计分析方法以及可视化技术。 第四章：气候数据质量控制与预处理 数据的质量是分析结果可靠性的前提。本章将详细介绍气候数据的质量控制（QC）流程和各种预处理技术。 数据错误检测： 介绍基于统计方法（如离群值检测、趋势检验）、物理约束（如温度与湿度关系）以及空间一致性检验等方法，来识别数据中的异常值、传感器故障、传输错误等。 数据插补与填充： 讨论在数据缺失或存在错误的情况下，如何利用插值（线性插值、样条插值）或填补技术（均值填充、回归填充）来修复数据，以保证分析的连续性。 数据均一化与标准化： 再次强调处理仪器更替、站址迁移、观测时间变化等因素对时间序列数据的影响，并介绍常用的均一化方法，如双累积曲线法、线性回归法等，以确保不同时期数据的可比性。 空间数据的校正与转换： 讨论地形起伏、海拔高度对地面观测值的影响，以及如何进行空间数据的校正，例如将观测数据标准化至同一海拔高度，或进行地形订正。 第五章：气候统计分析方法 统计学是理解气候数据背后规律的利器。本章将介绍多种常用的气候统计分析方法。 描述性统计： 讲解平均值、中位数、众数、方差、标准差、偏度、峰度等基本统计量在描述气候要素（如年平均气温、月降水量）分布特征中的应用。 时间序列分析： 趋势分析： 介绍线性回归、Mann-Kendall趋势检验等方法，用于识别气候要素随时间变化的长期趋势（如升温趋势、降水变化趋势）。 周期性分析： 讲解傅里叶变换、小波分析等技术，用于识别气候中的季节性、年际变化、年代际变化等周期性规律。 自相关与互相关分析： 探讨同一气候要素在不同时间点之间的相关性（自相关），以及不同气候要素（如气温与湿度、降水与气压）之间的相互关系（互相关）。 空间统计分析： 介绍克里金插值（Kriging）、回归克里金插值等方法，用于推估未观测区域的气候要素值，以及分析气候要素的空间分布格局。 极端事件统计： 讲解如何统计和分析极端天气事件的频率、强度和持续时间，例如极端高温事件、强降水事件、干旱指数等。 相关性与回归分析： 探讨气候要素之间的相互影响，例如海温与陆地气温的关系，以及如何利用回归模型预测某一气候要素。 第六章：气候变化趋势的识别与归因 理解气候变化是本书的重点之一。本章将深入探讨如何通过数据分析来识别气候变化的趋势，并探讨其潜在的归因。 全球与区域气候变化指标： 介绍常用的全球平均气温、海平面上升、冰川退缩、极端天气事件频率变化等气候变化指标，以及区域气候变化特征。 气候模型与模拟： 简要介绍气候模型的基本原理，以及如何利用模型模拟来研究过去、现在和未来的气候变化，并评估不同因素（如温室气体排放、太阳活动）对气候变化的影响。 归因分析方法： 探讨统计归因方法，如“指纹”方法，以及模型模拟在区分自然波动与人为影响方面的作用，以识别气候变化的驱动力。 不确定性评估： 强调气候科学研究中的不确定性，以及如何量化和评估数据、模型和归因分析中的不确定性。 第三部分：气候现象与驱动机制 气候并非孤立的现象，它受到地球系统各圈层复杂相互作用的驱动。本部分将深入剖析一些重要的气候现象及其背后的驱动机制。 第七章：大气环流与天气系统 大气环流是气候形成和变化的基础。本章将阐述大气环流的基本模式以及各种天气系统的形成与演变。 全球大气环流模式： 介绍三圈（哈德里环流、费雷尔环流、极地环流）以及七个主要风带（信风、西风带、极地东风带）的形成机制。 高空急流与行星波： 讲解高空急流（如西风急流）对天气系统的引导作用，以及行星波（罗斯贝波）在能量传输和气候变化中的作用。 主要天气系统： 气旋与反气旋： 详细介绍温带气旋（低压系统）和热带气旋（台风、飓风）的形成、结构、移动及其对天气的影响。讲解反气旋（高压系统）带来的晴朗或稳定天气。 锋面： 阐述冷锋、暖锋、准静止锋、 occluded front 的形成、结构及其带来的天气变化。 对流系统： 介绍积雨云、雷暴的形成过程，以及它们带来的短时强降水、雷电、大风等灾害性天气。 第八章：海洋与陆地的相互作用 海洋和陆地是气候系统中能量和物质交换的重要界面，它们的相互作用对全球气候具有深远影响。 海洋环流与气候： 介绍洋流（如湾流、黑潮）如何输送热量，影响区域气候。讲解海洋对大气热量和水汽的储存与释放能力。 厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）： 详细阐述 ENSO 现象的发生机制（太平洋赤道海域海温异常）、对全球气候的影响（如 droughts, floods），以及其监测与预测方法。 季风系统： 讲解季风的成因（海陆热力性质差异），以及不同地区季风的特征（如东亚季风、南亚季风）及其对降水分布的影响。 陆地表面过程： 讨论植被、土壤水分、地表反照率等因素如何影响区域能量平衡和水循环，以及它们对气候反馈的作用。 第九章：温室气体与气候变化 温室气体是影响全球气候变化的关键因素。本章将深入探讨温室气体的来源、在大气中的作用以及其对气候系统的影响。 主要温室气体： 介绍二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氟化气体等的来源（自然源与人为源）、在大气中的浓度变化及其寿命。 温室效应原理： 详细解释温室效应是如何通过温室气体吸收和再辐射红外线，从而使地球表面温度升高的。 气候系统的反馈机制： 讨论正反馈（如冰雪反照率反馈、水汽反馈）和负反馈（如云辐射反馈）在放大或减弱温室效应影响中的作用。 碳循环： 阐述碳在海洋、陆地、大气之间的交换过程，以及人类活动（如化石燃料燃烧、森林砍伐）如何扰乱碳循环，导致大气CO2浓度升高。 第四部分：气候应用的挑战与未来 理解气候变化不仅是为了科学探索，更重要的是为了应对其带来的挑战，并利用气候知识服务于社会发展。本部分将探讨气候科学在实际应用中的挑战，以及未来的发展方向。 第十章：气候风险与适应 气候变化带来了日益严峻的自然灾害风险，学习如何评估和应对这些风险至关重要。 气候变化对极端事件的影响： 分析气候变化如何导致极端高温、强降水、干旱、风暴潮等事件的频率和强度增加。 灾害风险评估： 介绍如何结合气候数据、社会经济数据和地理信息系统（GIS），对不同区域的自然灾害风险进行评估。 气候适应策略： 探讨农业、水资源管理、城市规划、生态保护等领域的适应性措施，例如培育耐旱作物、改进水利设施、建设海堤等。 气候变化对生态系统的影响： 讨论气候变化对生物多样性、物种分布、生态系统功能等方面的影响，以及保护生态系统的重要性。 第十一章：气候预测与预警 准确的气候预测能够为社会经济活动提供重要的决策依据。 短期气候预测（季节性预测）： 介绍基于 ENSO、海温异常等信号的季节性气候预测方法，以及其在农业生产、能源供应等领域的应用。 中期与长期气候预测（气候变化情景）： 讨论基于气候模型的长期气候预测，以及不同排放情景下的未来气候变化趋势。 气候预警系统： 介绍构建有效气候预警系统的重要性，包括早期监测、风险评估、信息发布和应急响应等环节。 气候信息服务： 探讨如何将科学的气候信息转化为易于理解和应用的服务产品，以满足政府、企业和公众的需求。 第十二章：气候研究的未来展望 气候科学是一个不断发展的领域，未来将迎来更多的机遇和挑战。 大数据与人工智能（AI）在气候研究中的应用： 展望利用海量气候数据、深度学习、机器学习等技术，加速气候模式的开发、提高预测精度、优化数据分析流程。 耦合模型的发展： 探讨地球系统模型（包含大气、海洋、陆地、冰冻圈、生物圈等）的不断完善，以更全面地模拟地球系统的复杂相互作用。 区域气候研究的深化： 强调针对不同区域特点进行精细化气候研究的重要性，以更好地应对区域性的气候挑战。 公众参与与科学普及： 呼吁加强气候科学的公众沟通和教育，提高全社会对气候变化的认知和行动意识。 国际合作与政策协同： 强调气候变化是一个全球性问题，需要加强国际间的合作与政策协调，共同应对气候挑战。 结语 气候科学的探索永无止境。从每一次微风的拂过，到每一次风暴的呼啸；从每一滴雨的落下，到每一片雪的飘零，都蕴含着气候系统精妙的运行逻辑。希望《气候观测与分析》一书，能成为您探索气候世界的一盏明灯，引领您拨开迷雾，深入理解地球这颗蓝色星球的呼吸与脉搏，共同为建设一个可持续发展的未来贡献力量。

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