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出版者:

作者:Dijkstra, Henk A.

出品人:

页数:548

译者:

出版时间:2005-5

价格:$ 141.25

装帧:

isbn号码:9781402022623

丛书系列:

图书标签:

• 海洋学
• 非线性动力学
• 物理海洋学
• 海洋环流
• 海洋建模
• 大气科学
• 气候变化
• 混沌理论
• 波动
• 数值方法

巨浪之下的世界：现代海洋动力学新视野 本书深入探讨了海洋物理学领域的前沿课题，侧重于描述和理解海洋中复杂、非线性现象的动力学机制。我们力求超越传统的线性理论框架，构建一个更贴近真实海洋环境的理论模型，揭示海洋环流、涡旋动力学以及波浪-环流相互作用的深层规律。 第一部分：湍流与混合的尺度分离 海洋是一个充满能量耗散和物质混合的巨大系统。本部分首先系统梳理了海洋湍流理论的最新进展，特别是围绕次网格尺度参数化的改进。我们分析了不同类型的剪切层湍流（如边界层和深海中尺度涡内部）的特征，并探讨了如何利用高分辨率模拟数据来校准局地湍流模型。重点关注了垂直混合的非均匀性，例如在强风驱动下上层海洋混合层的形成与崩塌过程，以及热力学因素（如浮力抑制）对湍流耗散率的影响。书中详细阐述了能量级串理论在海洋中的适用性及其局限性，特别是当背景流场具有显著的背景涡度或密度梯度时，湍流能量在不同尺度间的传递机制。此外，我们还引入了结构函数分析和高阶矩统计来量化海洋混合的有效扩散系数，为海洋热量和物质输送的量化模型提供坚实的基础。 第二部分：中尺度涡旋的生命周期与能量转换 中尺度涡旋（尺度在几十至几百公里）被公认为海洋能量和物质输运的主导力量。本书的第二部分将焦点放在这些非均匀、非线性结构的起源、演化和消亡上。我们从非线性斜压不稳定性的角度出发，详细分析了中尺度涡旋的萌生机制，并引入了准地转近似的修正模型来描述其在真实地转平衡背景下的动力学。书中深入探讨了涡旋的相互作用，包括它们的合并（merger）、分裂（splitting）和对背景流场的拖拽效应。一个核心章节致力于研究涡旋的能量捕获与释放，即涡旋如何从环境的斜压能量中提取能量，并将其转化为动能和动量，最终影响大规模环流（如西边界流）的路径和强度。我们运用势流理论和几何流体力学的工具，解析了涡旋在具有地形起伏或复杂密度场背景下的轨迹偏转和涡量守恒问题。对于观测数据分析，我们引入了拓扑数据分析（TDA）的方法，用于识别和分类不同拓扑结构的涡旋群落，揭示其群集行为的内在结构。 第三部分：波浪-环流的能量反馈机制 传统的海洋动力学常常将表层波浪和深层环流视为相对独立的系统。本书挑战这一分离观点，系统地研究了非线性波浪场与背景流场之间的双向耦合。我们着重分析了波浪动量通量对近表面剪切流的影响，特别是在强风事件中，波浪的非线性相互作用（如四波相互作用）如何改变有效粘滞力和动量注入深度。书中引入了“波致”应力的概念，并将其参数化纳入更精细的海洋环流模型中。重点案例研究包括风浪对海面粗糙度的影响如何反过来调制风应力的大小（即风-浪-流的反馈），以及非线性波群在遇到边界流（如墨西哥湾流的边缘）时产生的折射、反射和能量耗散效应。此外，我们还探讨了波浪破碎的非局部效应，即破碎产生的微小气泡和湍流如何影响海气界面的浮力通量，进而影响上层混合层的深度。 第四部分：极端事件的非线性响应 海洋系统对外部扰动的响应往往是非线性的，表现为极端事件的频率和强度变化。本部分聚焦于极端天气对海洋系统的冲击及其内部反馈回路。我们分析了热带气旋（飓风、台风）经过海面时，如何通过剧烈的风场和降雨，在短时间内引发深层水体的大规模垂直混合和冷涡生成（即Madden-Julian振荡的海洋响应）。书中详细讨论了“热带海洋惯性波”（Inertial Waves）在风暴过境后向深海传播能量的机制，以及它们如何可能激发深层环流的瞬时扰动。对于沿海区域，我们研究了风暴潮的非线性传播，特别是浅水效应、地形约束和波浪非线性对潮位峰值的增强作用。通过极端值理论，我们评估了海洋变量（如海表温度异常、涡旋强度）在气候变化背景下偏离均值的概率分布变化，为海洋灾害预警提供更具物理基础的预测框架。 第五部分：高级数值方法与模型验证 为应对上述非线性问题的复杂性，本书最后一部分介绍了当前最先进的高分辨率海洋数值模拟技术。我们讨论了非静力、非线性浅水方程组的数值求解策略，包括有限差分、有限体积和谱方法在处理复杂边界和强梯度区域的优缺点。重点介绍了自适应网格加密（AMR）技术在捕捉尺度差异巨大的现象（如涡旋和微尺度湍流）中的应用。此外，我们探讨了数据同化方法（如Ensemble Kalman Filter的非线性变体）如何有效地将卫星遥感（高度计、SST）和原位观测（Argo浮标）数据融入非线性模型中，以约束和改进模型的动力学框架。本书强调了模型验证与不确定性量化的重要性，倡导使用多种独立观测数据对模型输出的非线性特征进行严格的交叉检验。 本书适合从事海洋物理、气候动力学、地球流体力学研究的高年级本科生、研究生以及专业研究人员，旨在提供一个全面、深入且前沿的视角，以驾驭海洋科学中最迷人且最具挑战性的非线性领域。

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坦率地说，我购买这本书的初衷是想了解一下现代海洋学界对于深海热液喷口周围流体动力学的最新研究进展。这本书显然没有直接针对热液喷口这一特定主题展开，但它在湍流混合和边界层分离的章节中，间接提供了理解这些极端环境背后物理机制的理论基础。书中的理论深度令人印象深刻，尤其是对涡度方程在强烈密度梯度下的修正，这对于理解海洋内部的垂直混合过程至关重要。我不得不承认，其中关于内波激发和破碎的描述，对我理解深海中的能量传输路径提供了关键性的启发。那些隐藏在温跃层下方的、看不见的巨大能量交换过程，通过作者精妙的数学表达被具象化了。尽管我略感遗憾它没有更侧重于观测数据与模型结果的直接对比，但其理论的完备性，足以让任何希望构建高精度深海环流模型的科研人员受益匪浅。这本书更像是一份“内功心法”，而不是一本“招式手册”。

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这本书的排版和图示质量，坦白地说，与它深奥的内容有些不匹配。不过，抛开这些外在的瑕疵，内容本身确实是极具挑战性和启发性的。书中对于中尺度涡（Mesoscale Eddy）动力学的处理，采取了一种与主流教科书截然不同的视角，它强调了涡旋-涡旋相互作用过程中，能量和物质如何实现长距离的有效输运，这对于解释某些区域性的海洋环流异常现象提供了新的视角。特别是关于准地转平衡假设在不同尺度下的适用性讨论，作者提出了一些非常尖锐的质疑。我个人感觉，这本书更像是一位资深海洋物理学家与其同行进行的一场高质量的、充满思辨性的学术对话，而不是面向初学者的入门指南。阅读它，需要极强的耐心和对背景知识的扎实掌握，但一旦你突破了最初的认知门槛，你会发现自己站在了一个能俯瞰整个大洋动力学全貌的高地上。它教会你如何思考“为什么”，而非仅仅接受“是什么”。

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我尝试将这本书中的某些概念，比如关于孤立子在浅海中传播的非线性稳定性分析，应用到我正在研究的河流入海口泥沙输运模型中去。虽然物理背景完全不同，但那些关于非线性色散和波形维持的数学原理是相通的。这本书的强大之处在于，它构建了一套普适于流体动力学的分析工具集，而不仅仅局限于描述海水的运动。它对稳定性和不稳定性判据的探讨，简直就是一本关于“系统如何从有序走向无序”的哲学思考录。阅读过程中，我深切体会到，海洋物理学远不止是风驱动和地转平衡那么简单，它充满了“奇异吸引子”和“分岔点”，每一次微小的扰动都可能导致宏观尺度上完全不同的气候结果。这本书的贡献，在于它清晰地展示了这些复杂的非线性反馈环是如何从基础的动量守恒方程中“涌现”出来的，这种深度和广度，在同类专著中是极为罕见的。

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这本《非线性海洋物理学》的书籍，我拿到手时，就被它厚重的分量和略显晦涩的书名给镇住了。老实说，我并非海洋物理学的科班出身，更多是出于一种对深海现象背后那些错综复杂机制的天然好奇心。翻开扉页，映入眼帘的是一连串复杂的偏微分方程组，瞬间让我感觉自己像是站在一片波涛汹涌的大洋前，连呼吸都变得小心翼翼。书中对涡旋动力学的探讨，简直像是在解剖一场永无休止的海洋舞蹈。作者似乎对拉格朗日点和欧拉点之间的相互转化有着近乎偏执的关注，用极其严谨的数学工具去描摹那些看似随机、实则遵循着某种深层逻辑的洋流结构。我尤其欣赏它对Rossby波在不同纬度传播的非线性效应的阐述，那种从赤道到极地，能量如何被重新分配的细腻描绘，让我对全球气候模型的构建有了全新的认识。这本书无疑是为那些渴望深入理解海洋内部“引擎”的学者准备的，每一个公式的推导，都凝聚着作者对自然界底层规律的敬畏与探索精神。它不是一本轻松的读物，更像是一份挑战，要求读者调动起所有能调用的分析能力，去直面海洋的复杂与壮美。

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作为一名长期从事气象建模的工程师，我原本以为海洋物理学的基本原理大同小异，无非是Navier-Stokes方程在特定边界条件下的应用。然而，这本书彻底颠覆了我的固有认知。它对浅水波理论中涉及的色散关系进行了深入的、近乎手术刀般精准的剖析，特别是关于开尔文波和重力波在海岸带的相互作用，简直是教科书级别的范例。我最感兴趣的是其中关于波浪破碎机理的章节，作者没有停留在传统的能量耗散模型上，而是引入了更高阶的非线性项，试图从微观尺度上解释为什么海浪在特定条件下会形成那些形态各异的“白头浪”。阅读过程中，我多次停下来，对照着我正在优化的数值模拟代码，试图将书中的理论洞察映射到我的计算域内。这本书的价值不在于提供了多少现成的结论，而在于它提供了一套审视问题的全新“框架”——一个充满非线性和不确定性的框架。它迫使你承认，海洋不是一个线性的、可以轻易预测的系统，而是一个充满内在涌现性的动态混沌体。

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