Fundamentals of Atmospheric Modeling pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Jacobson, Mark Z.

出品人:

页数:828

译者:

出版时间:2005-5

价格:$ 125.43

装帧:

isbn号码:9780521548656

丛书系列:

图书标签:

• 大气科学
• 数值模拟
• 大气模型
• 气象学
• 环境科学
• 计算物理
• 偏微分方程
• 大气动力学
• 数值天气预报
• 科学计算

好的，这里为您呈现一本关于大气模型基础知识的图书简介，内容详实，力求自然流畅，不含任何技术痕迹。 --- 《气象动力学前沿：现代大气过程的数值模拟与理论基础》 本书导言 自古以来，人类对天空的观测与理解就从未停歇。从早期的经验总结到现代的复杂理论构建，大气科学的发展是一部不断深化认识、精进工具的历史。然而，要真正把握地球大气这一混沌系统的脉搏，仅凭直觉和简单的物理定律是远远不够的。现代气象学和气候学的核心驱动力，在于对大气运动和相互作用的精确量化描述，而这正是数值模型发挥其不可替代作用的领域。 《气象动力学前沿：现代大气过程的数值模拟与理论基础》正是在这一背景下应运而生的一本专著。本书旨在为气象学、地球物理学、环境科学乃至相关工程领域的研究人员、高级学生以及专业技术人员，提供一个深入、全面且高度实践导向的知识体系。我们聚焦于支撑当代天气预报和气候预测系统的核心数学框架、计算方法以及物理参数化方案的最新进展。 本书摒弃了对基础微分方程的简单罗列，而是着重于从物理概念到数值实现的完整链条。我们认为，理解一个模型的“黑箱”内部运作机制，是实现准确预测与可靠评估的前提。因此，本书的内容布局严谨，逻辑清晰，层层递进，力求让读者不仅“会用”模型，更能“理解”模型背后的科学与工程挑战。 --- 第一部分：理论基石——流体力学与热力学的回归 本部分是构建整个数值模拟体系的理论基础，旨在巩固读者对地球流体系统特性的深刻理解。我们首先从流体力学的基础出发，但立刻转向与地球系统相关的特殊性——科里奥利力、地转平衡以及尺度分析。 第一章：地球流体的运动学与动力学 本章深入探讨了在旋转参考系中描述流体运动的必要性。我们详述了 Navier-Stokes 方程组在球坐标系下的具体形式，并着重分析了地转风（Geostrophic Wind）和梯度风（Gradient Wind）在不同尺度天气系统中的适用性与局限。不同于传统的动力学教科书，我们强调了这些平衡态在模型初始化与稳定过程中的关键作用。 第二章：大气热力学的进阶议题 热力学是理解大气垂直结构和能量交换的门户。本章超越了理想气体定律的范畴，深入探讨了水汽相变过程的热力学效率、潜热释放对垂直运动的驱动机制，以及辐射过程在不同大气层中的非均匀性。我们将重点介绍大气层结的稳定度指标（如 $ heta_e$、CAPE 等）在模型垂直插值中的应用与挑战。 第三章：守恒律在网格化系统中的表达 数值模拟的本质是对连续物理定律在离散网格上的近似求解。本章详细阐述了质量、动量、能量和水汽的守恒律如何在有限体积法（Finite Volume Method）或有限差分法（Finite Difference Method）中被精确或近似地表达出来。我们分析了对流项（Advection Term）的离散化误差，这是数值模拟中能量和物质传输失真的主要来源之一。 --- 第二部分：数值实现的艺术与工程 本部分是本书的核心技术篇章，聚焦于如何将抽象的偏微分方程转化为计算机可以执行的算法。这部分内容对计算效率和解的稳定性有着直接影响。 第四章：网格化技术的选择与演进 现代大气模型在网格选择上呈现多样性。本章系统比较了以下几种主流网格系统： 1. 笛卡尔/C-网格（Arakawa A/B/C Grid）：分析其在动量和标量场的错位（Staggering）带来的优势与局限。 2. 球面坐标系下的网格（如经纬度网格）：重点讨论极点奇异性问题及其在模型设计中的处理策略。 3. 非结构化网格与区域化模型（Nested Grids）：探讨如何利用区域细网格来提高局地性强过程（如强对流）的模拟分辨率，并讨论了网格嵌套界面上的信息交换技术。 第五章：时间积分方案的精度与稳定性 时间步长是决定模型运行速度和精度的关键参数。本章详细分析了常用的时间积分方法： 显式方案（Explicit Schemes）：如欧拉法和龙格-库塔法，讨论其受 CFL 条件（Courant–Friedrichs–Lewy condition）的严格限制。 隐式方案（Implicit Schemes）：如何通过求解大型线性方程组来放松 CFL 限制，从而允许更大的时间步长，尤其适用于慢速过程的模拟。 半隐式方案（Semi-Implicit Schemes）：作为显式和隐式方法的折衷，重点介绍其在处理声波和重力波中的优化策略。 第六章：谱方法在地球系统模拟中的应用 对于全球尺度的气候模型，谱方法（Spectral Methods）因其卓越的精度和对非局域相互作用的自然处理能力而占据重要地位。本章介绍傅里叶级数和球谐函数在描述大尺度环流中的理论基础，并讨论了如何将谱方法与有限差分/有限体积方法相结合，以实现动量场的高效计算。 --- 第三部分：物理过程的参数化与耦合 大气模型的“智慧”往往体现在对那些无法直接在模型网格尺度上解析的物理过程的描述上。本部分深入探讨了参数化方案（Parameterization Schemes）的设计哲学和工程实践。 第七章：边界层过程的精细化模拟 边界层是大气与地表之间物质、能量和动量交换最剧烈的区域。本章集中讨论以下关键参数化： 湍流闭合方案：从零阶闭合（如简化的摩擦因子）到更高阶的闭合模型（如 $k-epsilon$ 模型或简化的 $E-omega$ 模型）在模拟夜间逆温和日变化过程中的表现差异。 地表通量计算：如何根据地表能量平衡方程，精确计算感热、潜热和动量通量，并讨论了地表数据（如植被覆盖、土壤湿度）对模拟结果的敏感性。 第八章：云与降水过程的建模挑战 云的形成、演化和降水是天气预报中最具挑战性的部分。本章细致剖析了不同尺度的云微物理方案： 暖雨过程与冰相过程：介绍基于类（Bulk-type）和基于谱（Spectral Bins）的方案在模拟云滴谱分布上的区别。 对流参数化：讨论显式解析中小尺度对流（如浅积云）的困难，以及保守（Conservative）和非保守（Non-Conservative）对流方案在能量守恒上的权衡。 第九章：辐射传输与气候反馈 辐射过程驱动着大气温度的演变，并受到云和温室气体的影响。本章深入探讨了： 短波与长波辐射计算：介绍辐射传输方程的求解方法，以及如何处理散射和吸收过程的复杂性。 云对辐射的反馈机制：分析不同类型云层（高云 vs. 低云）对地球辐射收支的净影响，这是气候敏感性研究的核心议题。 --- 结语：模型的评估、离线诊断与未来方向 本书最后一部分将引导读者思考如何验证和改进他们所使用的模型。我们讨论了统计检验方法（如 Brier 评分、ETS 指数）在天气预报评估中的应用，并介绍了同化技术（Data Assimilation）如何将观测数据有效地融入到模型初始场中，以提升预报的初始准确性。 《气象动力学前沿：现代大气过程的数值模拟与理论基础》不是一本简单的操作手册，而是一份深入模型“内核”的路线图。它要求读者具备扎实的物理基础和一定的数学功底，但最终的回报将是能够独立分析、设计和优化复杂大气模拟系统的能力。本书旨在培养新一代能够驾驭地球系统模型进行前沿科学探索的专业人才。

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这本书的阅读体验，某种程度上来说，是一种对逻辑美学的欣赏。作者在组织材料时，体现出一种近乎强迫症般的严谨性，每一个概念的引入都像是精心设计的拼图，必须放在特定的位置才能与其他部分完美契合。你会发现，即便是一些看似微小的数学推导细节，作者也会给出清晰的背景和必要性解释，绝不容许读者在理解上留下任何模糊地带。例如，当涉及到非静力平衡方程组的求解时，作者并没有仅仅罗列出差分格式，而是花费了相当篇幅去解释选择特定时间积分方案背后的数值稳定性考量，以及如何通过地形处理来避免数值振荡。这种对“方法论”本身的重视，使得这本书不仅仅是一本关于“大气模型是什么”的书，更是一本关于“如何科学地、严谨地构建一个复杂计算模型”的方法论宝典。它的行文风格非常克制，几乎没有冗余的形容词，每一个句子都承载着明确的信息，这对于需要精确理解每一个步骤的读者来说，是一种莫大的福音。阅读此书的过程，就像是在搭建一个精密的钟表，每一个齿轮的咬合都清晰可见，最终呈现的是一个高效、精确的知识系统。

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这本书的结构简直让人耳目一新，作者显然对如何引导读者深入理解一个复杂领域有着独到的见解。从一开始，它就没有急于抛出那些令人望而生畏的数学公式，而是巧妙地通过一系列生动的案例和直观的图示，为我们构建起一个坚实的、可感知的“大气世界”框架。我尤其欣赏作者在讲解基本概念时所展现出的耐心和深度。比如，在讨论能量平衡和辐射传输的章节，作者没有满足于教科书式的定义，而是深入剖析了不同尺度的反馈机制是如何相互作用，最终塑造出我们所观测到的气候模式。这种由表及里、层层递进的叙述方式，极大地降低了初学者的入门门槛，同时也为那些已经有一定基础的读者提供了新的视角去审视那些看似已经被“学透”的知识点。文字的流畅性也是一大亮点，即便是涉及复杂的物理过程，作者也能用清晰、富有逻辑性的语言进行阐述，仿佛一位经验丰富的导师在身旁循循善诱，而非冷冰冰的教材在自说自话。这种叙事风格的转变，使得漫长的阅读过程变成了一种享受，让人迫不及待地想要翻到下一页，探索大气这套宏大系统的更多奥秘。这本书无疑是为那些真正渴望掌握大气科学精髓的求知者量身定做的，它所提供的不仅仅是知识点，更是一种系统的思维方式。

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从学术深度和前沿性的角度来看，这本书展现出了极强的洞察力。它并没有停留在对经典大气动力学理论的重复介绍，而是大胆地引入了许多近些年来大气科学领域中的热点和难点问题。例如，对于边界层湍流的非局地性效应处理，书中不仅回顾了传统的混合长度理论，更深入探讨了基于大涡模拟（LES）的结果如何指导宏观模型的改进，这种对尺度耦合问题的关注，体现了作者紧跟科研前沿的姿态。另外，在关于云微物理过程的描述上，作者并没有采用过于简化的参数化方案，而是详细对比了不同类型冰相和水相粒子演化路径对辐射和降水效率的影响，这种对细节的执着，使得书中的内容具有极高的学术讨论价值。我特别喜欢其中关于不确定性量化的章节，作者清晰地梳理了模型结构误差、初始条件误差以及参数误差这三类不确定性的来源，并指出了在当前计算能力下，如何通过集合预报等方法进行有效管理。阅读这些内容时，我能真切感受到作者在学术界深厚的积累，他不仅是知识的传授者，更是前沿探索的引领者，这本书无疑是为高年级研究生和青年科研人员量身定制的进阶读物。

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这本书的排版和设计，充分体现了对读者友好性的考量，这在厚重的专业书籍中是难能可贵的。图表的质量极高，色彩运用得当且富有信息量，绝非那种为了凑页数而制作的低质量插图。特别是那些三维结构图和流程图，它们有效地将抽象的物理过程具象化了，极大地帮助理解了气流的环流模式和数据流动的路径。此外，索引和术语表的设置也体现了作者的用心。对于一些在不同章节中以不同方式出现的专业术语，作者提供了详尽的交叉引用，这使得在回顾某个特定概念时，可以迅速定位到其首次被引入或进行最全面讨论的位置。更值得一提的是，书中对历史背景的穿插介绍非常到位。它没有将大气建模的历史割裂开来，而是巧妙地将关键模型的诞生与当时观测技术的突破、计算能力的提升联系起来，让读者能够理解科学的进步是一个螺旋上升、相互促进的过程。这种“故事性”的叙述，使得技术细节的记忆不再枯燥，而是融入了一种动态的历史发展脉络中，让人在学习具体模型知识的同时，也能感受到整个学科的蓬勃生命力。

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这本书的实战价值，可以说是超出了我原先的预期。我原本以为这会是一本偏向理论推导的学术著作，但事实是，它在理论基础的夯实之后，立刻将重心转移到了实际模型的构建和应用上。作者似乎深谙工程实践中的痛点，他花了大量的篇幅去讨论不同参数化方案的优缺点，以及它们在真实数据面前可能出现的偏差和局限性。这种坦诚的讨论，对于我们这些试图将理论应用于实际预测工作的人来说，简直是太重要了。书中的许多例子，都直接引用了现有的区域或全球模式中的关键模块，并详细拆解了其中的核心算法逻辑。更令人称赞的是，作者在描述这些复杂算法时，并没有直接陷入编程语言的泥潭，而是将重点放在了背后的物理假设和数值方法的选择上，这使得读者能够跨越代码的障碍，直击问题的本质。我可以想象，无论是进行气候敏感性研究，还是日常的天气预报模型调试，这本书都能成为手中不可或缺的参考手册。它不仅仅告诉你“是什么”，更重要的是告诉你“为什么是这样”以及“在实际中该如何处理”。这种高度的实用性和前瞻性，使得这本书的价值远远超越了一般的教材范畴，更像是一部资深专家对行业内“潜规则”和“最佳实践”的系统性总结。

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