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出版者:Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. KG

作者:Roman, Wyrzykowski (EDT)/ Dongarra, Jack (EDT)/ Karczewski, Konrad (EDT)/ Wasniewski, Jerzy (EDT)

出品人:

页数:1439

译者:

出版时间:

价格:189

装帧:

isbn号码:9783540681052

丛书系列:

图书标签:

• 并行处理
• 应用数学
• 数值分析
• 高性能计算
• 算法
• 数学建模
• 科学计算
• 计算机科学
• 优化
• 线性代数

好的，这是一份关于一本假设的、不包含“并行处理与应用数学”内容的图书的详细简介。 --- 图书名称：《现代气候建模与地球系统动力学》 作者：[虚构作者姓名，例如：张伟, 丽莎·科尔曼] 出版社：[虚构出版社名称，例如：环球科学出版社] 第一版 --- 导言：重塑我们对地球的理解 《现代气候建模与地球系统动力学》是一部深度探讨当代气候科学前沿的综合性著作。本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，理解驱动地球气候系统的复杂机制，以及如何通过先进的数值方法和数据分析技术来模拟和预测其未来演变。气候变化不再是遥远的威胁，而是我们这个时代最紧迫的科学挑战之一。本书将气候建模置于地球系统科学的宏大框架下，超越了简单的气象预测，深入到冰冻圈、海洋、生物圈与大气之间错综复杂的相互作用之中。 本书结构严谨，内容涵盖了气候科学的理论基础、核心建模范式、关键的反馈机制，以及数据同化与不确定性分析等高阶议题。我们力求在保持科学严谨性的同时，清晰阐述复杂的物理和数学概念，使之对研究生、研究人员以及希望深入了解气候科学的专业人士具有极高的参考价值。 第一部分：气候科学的基础与理论框架 (共五章) 本部分奠定了理解现代气候建模所需的理论基石。我们从地球物理流体力学的基础出发，聚焦于大气和海洋环流的驱动力，如科里奥利力、地转平衡以及尺度分析。 第一章：地球系统概述 深入介绍气候系统的组成部分——大气、海洋、陆地表面和冰雪圈——及其物质和能量的交换。详细讨论了能量平衡方程和热力学定律在气候系统中的应用，并引入了气候变化研究的长期视角。 第二章：大气环流的动力学 这一章详细剖析了大气运动的物理基础。重点阐述了中尺度、天气尺度到全球尺度的运动特征，特别是行星尺度波（如开尔文波、重力波和罗斯比波）的传播机制。对准定常环流，如哈德里环流和喷射气流，进行了深入的数学描述。 第三章：海洋环流的机制 海洋作为地球上巨大的热量和碳储存库，其环流模式至关重要。本章详细分析了风驱动环流（如表层环流）和密度驱动环流（如深层经向翻转环流，AMOC）的物理过程。着重探讨了海气相互作用对海洋热量和盐度分布的影响。 第四章：辐射传输与能量收支 气候系统的核心驱动力在于太阳辐射的输入和地球的红外辐射输出。本章详尽介绍了大气和云层对短波和长波辐射的吸收、散射和透射过程的辐射传输理论。特别关注了温室气体（水汽、二氧化碳、甲烷等）的吸收谱线和辐射强迫的计算方法。 第五章：水循环与相变 详细考察了大气中的水汽、云和降水的物理过程。涵盖了云微物理学（成核、凝结、冰晶生长）和降水参数化方案，以及蒸散发模型在陆面过程中的作用。 第二部分：地球系统数值建模的范式 (共六章) 本部分是本书的核心，专注于描述现代气候模型（GCMs）和地球系统模型（ESMs）的构建、离散化技术和计算结构。我们侧重于描述模型如何将物理定律转化为可解的数值方程组。 第六章：气候模型的基本结构与演进 概述了气候模型的历史发展脉络，从早期的简单能量平衡模型到今天的复杂耦合系统。系统介绍了一维、二维和三维模型的架构差异，并区分了天气模型、气候模型和地球系统模型的功能侧重。 第七章：动力方程的离散化 深入探讨了如何将连续的偏微分方程（Navier-Stokes方程在地球上的特例）转化为离散形式。详细比较了有限差分法、谱方法以及有限体积法在处理非线性流体动力学方程时的优缺点，特别关注了边界条件和质量守恒的实施。 第八章：物理参数化方案 (Parametrization) 鉴于次网格尺度的过程（如对流、湍流、云形成）无法直接解析计算，参数化是模型精度的关键。本章对当前主流的气象参数化方案进行了详尽的分类和解析，包括边界层过程、积云对流、云辐射相互作用的近似模型。 第九章：海洋环流模型的构建 重点介绍海洋模型（如 MOM 或 NEMO 框架）中对流体动力学的处理，特别是边界层处理和热盐输送的数值技巧。讨论了浅水方程组在海洋环流模拟中的应用。 第十0章：耦合系统与数据接口 解释了如何将大气、海洋、陆面和冰雪模型在时间步长和数据交换上进行同步耦合。探讨了模型组件间的数据插值、时间步的平衡以及守恒性在耦合界面上的维护。 第十一章：陆面过程模型 (LSMs) 陆面模型是连接大气与固体地球的关键。本章详细考察了植被覆盖、土壤水分、地表能量通量以及碳循环在陆面模型中的表征方法，包括土壤层级的热力学和水文过程。 第三部分：模型评估、预测与不确定性分析 (共四章) 本部分转向了模型的应用层面，包括如何验证模型的可靠性，以及如何利用模型进行未来的气候预测和风险评估。 第十二章：模型验证与基准测试 阐述了评估气候模型性能的科学方法论。详细介绍了诊断分析（Diagnostic Analysis）和再现能力测试（Hindcasting）的流程，以及如何使用标准化的观测数据集（如 ERA5、CMIP 历史运行）来比较不同模型的偏差。 第十三章：气候敏感性与反馈机制 深入分析了气候系统中的非线性反馈过程。着重讨论了水汽反馈、冰雪反照率反馈、以及云反馈的复杂性及其对气候敏感度估计的影响。解释了瞬态气候响应（TCR）和气候敏感性（ECS）的计算和意义。 第十四章：未来情景与预测 讲解了如何利用共享社会经济路径（SSPs）或排放情景（RCPs）来驱动未来气候预测。讨论了集合预测（Ensemble Forecasting）在量化长期不确定性中的核心作用，并探讨了模式间差异（Model Spread）的来源。 第十五章：数据同化与观测约束 在模型初始化和校准中，将实际观测数据融入模型的挑战至关重要。本章探讨了四维变分同化（4D-Var）和卡尔曼滤波等技术在气候系统状态估计中的应用，以及如何通过观测校正模型漂移。 结论与展望 本书以对地球系统科学未来研究方向的展望作结。我们探讨了高分辨率模型的潜力、对极端事件的精细化模拟挑战，以及将生物地球化学循环（如碳、氮、磷）更深入地整合到下一代地球系统模型中的必要性。 《现代气候建模与地球系统动力学》不仅是一本技术手册，更是一部引导读者理解我们如何利用最前沿的计算科学来应对全球环境挑战的指南。其内容强调了从基本物理定律到复杂数值实现的完整链条，为构建下一代预测工具提供了坚实的知识基础。

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