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出版者:

作者:Frederick, John E.

出品人:

页数:211

译者:

出版时间:2007-11

价格:$ 81.30

装帧:

isbn号码:9780763740894

丛书系列:

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• 大气科学
• 气象学
• 大气物理
• 大气化学
• 气候学
• 环境科学
• 地球科学
• 大气动力学
• 遥感
• 大气辐射

大气科学原理：揭示我们赖以生存的蓝色外衣的奥秘 《大气科学原理》 是一部深度聚焦于地球大气层复杂动力学、热力学、辐射传输以及化学过程的权威性著作。本书旨在为学习者、研究人员以及所有对塑造我们日常天气和长期气候的机制怀有浓厚兴趣的人士，提供一套全面、系统且严谨的理论框架和观测基础。 本书的结构设计，从最基础的物理学原理出发，逐步构建起理解大气现象所需的复杂模型。它不仅仅是一本描述性的教科书，更是一部深入探究“为什么”和“如何”的科学探索之旅。 第一部分：大气物理学基础——构建理解的基石 本卷首先将读者带入大气科学的物理学核心。我们探讨了大气层的构成——从近地表的混合层到稀薄的电离层——强调了气体组分，尤其是水汽和微量气体（如二氧化碳和臭氧）如何决定大气的热力学性质。 流体力学的应用： 章节详细阐述了气体的基本运动定律，包括理想气体定律在气压和密度垂直分布中的应用（如气压遵从的玻尔兹曼分布）。关键的篇幅被分配给流体力学的核心概念：科里奥利力、地转风平衡、梯度风平衡，以及如何利用这些平衡来理解大气中宏伟的环流模式，如信风带和西风急流。 热力学基础： 大气热力学是理解天气变化的关键。本书深入分析了湿空气的热力学过程，区分了干绝热廓线和湿绝热廓线，并引入了位温、相当位温等关键保守量。对相变过程的详尽讨论——包括蒸发、凝结、升华——是理解云的形成和降水机制的先决条件。 辐射传输理论： 太阳和地球表面的能量交换构成了大气运动的根本驱动力。本部分严格审视了电磁辐射理论在大气中的应用。我们讨论了太阳短波辐射和地球长波辐射的特性，重点分析了大气吸收、散射和透射的物理机制。光谱吸收线的概念被用来解释温室效应的分子基础，并精确计算了不同气体（水汽、CO2、甲烷）在特定波段的辐射强迫。 第二部分：云、天气与中尺度现象——从微观到局地的观测与模拟 在掌握了基础的物理定律后，本书将视角转向实际的天气现象，解析空气团的演变和水循环的复杂过程。 微物理过程与云的形成： 这一章节是连接热力学与可见天气的桥梁。我们详细考察了云凝结核（CCN）和冰核（IN）的作用，它们是水滴和冰晶得以形成的必要条件。对云滴增长的两种主要机制——碰撞-合并过程和冰晶过程（贝吉隆过程）——进行了深入的数学建模和现象学描述。降水形成的临界条件和效率差异被清晰地剖析。 大气稳定性和对流： 大气稳定性是决定天气剧烈程度的核心参数。本书利用浮力概念，引入了济-希夫-卡尔森（LI/SI）指数、假相当位温垂直梯度等工具来量化大气层结的垂直稳定性。对流的发生、发展及其组织化（如飑线和超级单体风暴）的动力学机制，通过三维运动场的分析得到充分阐释。 天气系统动力学： 本部分聚焦于尺度更大的天气系统，包括气旋和反气旋的生成、维持和消亡。重点分析了锋面理论，解释了冷锋和暖锋的结构及其伴随的天气现象。中尺度系统（如海陆风、山谷风、地形强迫下的局地环流）的分析，强调了边界层动力学和地形摩擦力的作用。 第三部分：全球环流与气候动力学——地球尺度的视角 为了超越局地天气预报的范畴，本书的最后一部分将目光投向了塑造全球气候的宏大尺度过程。 大气环流的理论模型： 经典的三圈环流模型（哈德里环流、费雷尔环流、极地环流）被用作理解纬度间能量再分配的框架。本书深入探讨了环流的非纬向（波动的）分量，包括行星波（如罗斯比波）的传播、斜压不稳定性，以及它们如何通过中纬度气旋活动将热量和动量输送到极地。 海洋与大气相互作用（ENSO）： 现代气候科学的核心是认识到海洋与大气并非孤立的系统。本章详细介绍了海洋热容量、混合层深度、海气通量交换。特别是对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的机制进行了深入剖析，从热带太平洋上的Walker环流异常到全球遥相关效应的传递，揭示了气候系统内部的复杂反馈。 气候变化与长期趋势： 鉴于当前环境的紧迫性，本书专门辟出章节讨论气候变化的物理基础。这包括对辐射平衡的长期扰动分析、气候反馈机制（如冰雪反照率反馈、水汽反馈）的作用量化，以及气溶胶（自然源和人为源）对辐射和云过程的影响。本书强调了模式模拟（GCMs）在预测未来气候情景中的基础作用，并讨论了不确定性来源。 总结： 《大气科学原理》不仅仅是对大气现象的罗列，它提供了一套由基本物理定律（牛顿定律、能量守恒、质量守恒）严格推导出的分析工具箱。通过对大气流体、能量转化和水循环的综合考察，读者将能够以一种量化和预测性的视角来理解我们赖以生存的这层稀薄而至关重要的保护壳。本书的深度和广度，使其成为大气科学领域研究和教学的必备参考书。

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拿到这本书，我的第一反应是，这排版简直是上个世纪的产物，厚重的纸张和略显拥挤的字体，让人感觉它本身就携带着一种陈旧的、不容置疑的权威性。然而，一旦沉浸其中，那种古老感就被书中对气候系统能量收支的精妙剖析所取代。作者似乎对太阳辐射在地球系统中的旅程痴迷不已，书中花了整整四章的篇幅来解析短波和长波辐射的传输、吸收和再辐射过程，尤其是对云层反射率和温室气体吸收光谱的详细讨论，精确到令人发指。我发现，作者在处理复杂概念时，极少使用现代教科书那种花哨的图表和彩色插图，而是依赖于大量的文字描述和手绘的示意图，这反而迫使读者必须在大脑中主动构建三维模型。当我读到关于大气边界层湍流混合的章节时，那种混乱而又富有规律的微尺度运动被作者用一系列精妙的统计学模型描述出来，仿佛能感受到空气中每一个涡旋的起舞。这本书的优点在于其理论的完整性，但缺点也十分明显：它几乎不涉及任何现代的遥感技术或数值模拟方法，读完后，你或许能解释“为什么”会下雨，但对“如何”预测明天几点的降雨，却毫无头绪。

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这本书的结构安排实在太跳跃了，简直像是一位经验丰富但略显古怪的教授在讲授他的私人课堂。它不是按照“气压、温度、湿度”这种标准流程展开的，而是开篇就直接抛出了一个宏大的概念——“大气环流的非线性动力学本质”。这立刻将读者推入了对扰动方程和稳定性分析的深水区。我必须承认，在阅读关于中尺度对流复合体（MCCs）形成机制的那部分时，我不得不借助外部资源来理解作者所引用的那些晦涩的、带有明显时代烙印的动力学术语。书中对大气重力波传播的论述尤其精彩，作者巧妙地将这种波动与山脉障碍和热带辐合带的激发联系起来，展示了能量如何在不同尺度的运动中进行传递和转换。但奇怪的是，书中对水循环的讨论却显得相对简略，似乎作者认为水汽不过是影响密度的一个次要因子，而非驱动天气变化的核心要素。这种重点的偏移，使得这本书读起来极度偏科，对热力学和动力学的侧重，使得普通读者很容易产生一种被“高冷”理论压制的挫败感。

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这本书的阅读体验是矛盾的，一方面，它展现了大气科学最核心、最坚实的理论骨架，另一方面，它又完全脱离了实际应用的泥土气息。例如，书中对锋面理论的阐述，完全聚焦于锋面作为密度间断面在动力学上的意义，几乎没有涉及锋前降水带的类型划分或对流云的垂直结构——那些在天气预报中至关重要的“可见特征”。我注意到，作者在论证云的形成时，更倾向于使用凝结核的表面能理论，而非我们现在更熟悉的过饱和度与水汽压力的平衡关系。这种对基础物理学概念的偏执性挖掘，让这本书在介绍一些基本现象时显得异常冗长，而对一些实际问题，如城市热岛效应或空气污染物的长距离输送，则避而不谈，仿佛这些是“工程学”而非“科学原理”的范畴。读完后，我感觉自己像是刚刚经历了一场严酷的智力训练，掌握了大气运动的“第一原理”，但如果让我立刻去解释今天为什么会突然起风，我可能还是得翻阅一本更偏向观测和应用的资料。

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这本《大气科学原理》读起来，感觉就像是作者在试图用一种极其宏大且几乎让人望而生畏的笔触，勾勒出我们头顶那片无边无际的空气世界的全貌。它不像我预期的那样，是一本专注于气象观测技术或特定天气现象的教科书，它更像是一部关于“为什么会是这样”的哲学思辨录，只不过载体是大气运动。书中对流体力学在行星尺度上的应用进行了深入浅出的探讨，虽然“深入浅出”在这里带有强烈的反讽意味，因为很多章节需要读者具备扎实的微积分和偏微分方程基础才能勉强跟上思路。我尤其对其中关于地转风平衡与梯度风平衡的章节印象深刻，作者似乎并不满足于给出公式，而是花了大量的篇幅去解释这些平衡状态是如何在地球曲率和科里奥利力的共同作用下，塑造了我们日常可见的信风带和西风急流。阅读过程中，我多次停下来，反复咀嚼那些关于大气热力学第一定律在绝热过程中的具体表述，那种严谨到令人窒息的数学推导，确实让我对天气系统的内在驱动力有了更深层次的理解，尽管这种理解是以牺牲部分阅读的流畅性为代价的。总而言之，它更像是写给未来气候学家看的“圣经”，而非给普通爱好者入门的“导览手册”。

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我花了很长时间才啃完这本书的前半部分，主要是因为作者对“气候”而非“天气”的执念太深了。这本书与其叫《大气科学原理》，不如叫《地球长期热力平衡下的气动理论基础》。其中关于冰反照率反馈机制的讨论，简直是一篇独立的、长篇的学术论文的节选，作者详细地模拟了地表反射率变化如何导致全球平均温度的非线性响应，这部分内容非常具有前瞻性，尽管其引用的数据模型显然已经过时。但最让我感到意外的是，书中对“臭氧层”的讨论几乎是蜻蜓点水，仅仅在提到紫外线辐射对对流层顶热力结构影响时一笔带过，这在今天的环境科学背景下，显得极其不合时宜。这本书的语言风格极其沉稳，几乎没有使用任何感叹号或疑问句，仿佛作者在向你陈述宇宙的铁律，不容置疑。它教会了我大气是一个巨大的、自我调节的系统，但它也让我感觉，我读完的更像是一部关于“理想化大气”的理论构建，而非我们每天呼吸的、充满变数的真实空气。

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