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出版者:Cambridge University Press

作者:Trenberth, Kevin E. 编

出品人:

页数:820

译者:

出版时间:2010-2-4

价格:USD 113.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521128377

丛书系列:

图书标签:

• 气候模型
• 大气科学
• 气候系统
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• 数值模拟
• 大气科学
• 海洋学
• 地球物理
• 环境科学
• 计算物理
• 科学计算
• 气候变化

《气候系统模拟：原理、方法与应用》 本书导言：构建地球未来的数字孪生 气候变化已成为人类社会面临的最严峻挑战之一。要理解和预测未来的气候状态，我们必须依赖于精密的计算机模型，这些模型能够捕捉地球系统各个组成部分——大气、海洋、冰冻圈、陆地表面以及生物地球化学循环——之间错综复杂的相互作用。本书《气候系统模拟：原理、方法与应用》正是为了系统性地阐述构建、运行和解释这些复杂地球系统模型的科学基础、核心技术和前沿应用而编撰的。 本书的受众对象涵盖了环境科学、地球物理学、大气科学、海洋学、计算科学以及相关工程领域的学生、研究人员和政策制定者。它不仅提供了坚实的理论框架，更注重展示实际操作中的工程挑战与解决方案。 --- 第一部分：地球系统建模的理论基石 (The Theoretical Foundation) 第一章：气候系统的基本概念与层次结构 本章首先界定“气候系统”的物理边界和组成要素。我们将探讨气候系统作为一个非线性、多尺度、高维度的复杂系统的基本特征。详细解析大气环流、海洋热盐环流、冰雪动力学以及碳循环的物理驱动机制。随后，介绍地球系统建模的层次结构：从简化的能量平衡模型（EBMs）到复杂的耦合气候模型（GCMs/ESMs），并讨论不同模型复杂度背后的科学取舍。 第二章：支配方程的推导与离散化 气候系统建模的核心是求解描述流体运动、能量传输和物质交换的偏微分方程组。本章深入探讨流体力学方程（纳维-斯托克斯方程）、热力学方程（第一和第二定律）以及辐射传输方程的在地表、大气和海洋中的具体形式。重点阐述数值求解的挑战，包括守恒性、精度与稳定性的要求。我们将详细介绍有限差分法、谱方法和有限体积法在地球科学中的应用及其各自的优缺点。 第三章：参数化方案的科学与艺术 在实际的气候模型中，许多过程（如云的形成、湍流混合、地表通量交换）发生在模型网格尺度之下，无法直接解析计算。本章专门探讨“参数化”（Parameterization）的必要性、发展历史和关键技术。内容涵盖边界层参数化（涉及大气与地表的动量、热量和水汽交换）、云微物理参数化（决定云的生命周期和辐射效应）以及陆面过程参数化（土壤水、植被冠层与能量平衡的耦合）。讨论如何通过观测数据和高分辨率嵌套模型来校准和验证这些关键的参数化方案。 --- 第二部分：核心模型组件的构建与耦合 (Component Modeling and Coupling) 第四章：大气环流模型（AGCM）的构建 本章聚焦于全球大气模型的具体实现。从全球网格系统的选择（如经纬度网格、球面谐波展开）到动力核的优化设计。重点分析大气模型的时步选择、时间积分方案（如欧拉法、龙格-库塔法）以及如何高效地处理科里奥利力项。讨论地转平衡、地形表示（如地形高度、地形拖曳）在数值求解中的处理技巧。 第五章：海洋动力学与热盐环流模型（OGCM） 海洋占据了气候系统热量和碳储量的绝大部分。本章详细介绍海洋环流模型的构建，包括笛卡尔坐标系与sigma坐标系的应用、边界条件的处理（如海冰界面的耦合、蒸发与降水通量）。重点阐述深海环流的模拟，以及海洋边界层混合方案的设计。同时，探讨了如何使用更高分辨率的海洋模型来捕捉中尺度涡旋的物理过程。 第六章：冰雪圈与陆面过程模型 冰雪圈反馈是气候敏感性的重要来源。本章涵盖了海冰模型（侧重于海冰的动力学和热力学方程）和陆面水文-能量平衡模型。陆面模型部分将细致分析土壤水文过程（入渗、蒸发、径流）、植被动力学（叶面积指数、反照率变化）以及它们如何影响区域降水和地表温度。 第七章：耦合模式的集成与交互 地球系统模型（ESM）的精髓在于组件间的动态耦合。本章讨论不同组件（大气、海洋、冰雪、陆面）如何通过“耦合器”（Coupler）进行信息交换。重点分析两种主要的耦合策略：“同步耦合”（Staggered Coupling）和“单步耦合”（Single-Step Coupling），以及它们的误差特性。讨论如何处理不同模型在时间尺度和空间分辨率上的不匹配问题。 --- 第三部分：模型应用、性能评估与未来展望 (Applications, Evaluation, and Outlook) 第八章：地球系统模型的模拟实验设计 气候模型的研究价值体现在其对不同情景的模拟能力上。本章指导读者如何设计科学的模拟实验，包括：“控因模拟”（Forcing Experiments）（如仅改变太阳辐射或温室气体浓度）、“历史再现”（Historical Simulations）以及“情景预测”（Scenario Projections）。详细介绍温室气体排放路径（如RCPs/SSPs）的设置，并讨论“初始态敏感性实验”的重要性。 第九章：模型性能的验证与不确定性分析 任何模型都是对现实的简化，因此必须对其性能进行严格评估。本章介绍模型评估的技术框架，包括：与观测数据（如卫星遥感、再分析资料）的对比分析、敏感性分析和误差归因。特别关注气候模式中的系统偏差（Bias）来源及其量化。引入蒙特卡洛方法和集合模拟（Ensemble Modeling）来量化模型预测的不确定性范围。 第十章：高级应用与计算挑战 随着计算能力的提升，气候模型正向更高分辨率和更复杂反馈方向发展。本章探讨前沿应用，如区域气候降尺度技术（Dynamical Downscaling）、极端天气事件的频率和强度模拟，以及气候-生态系统反馈（如碳循环与植被动态的紧密耦合）。最后，讨论在超级计算环境中优化模型代码（如使用GPU加速、领域分解技术）以应对PB级模拟数据产出的计算挑战。 --- 总结 本书旨在提供一个全面而深入的视角，揭示当代气候系统模拟的复杂性和科学深度。通过对原理的透彻理解、对核心模块的精细剖析以及对应用案例的深入探讨，读者将能够批判性地评估现有模型的能力与局限，并为未来地球系统科学的进步贡献力量。掌握这些工具，即是掌握了理解并应对未来气候变局的关键钥匙。

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翻开《Climate System Modeling》，我被其严谨的排版和清晰的图表所吸引。我对书中关于模式评估（Model Evaluation）的部分尤为关注。气候模型是理解和预测气候变化的关键工具，但它们的准确性需要经过严格的评估。我希望《Climate System Modeling》能够介绍各种评估气候模型性能的指标和方法，以及如何将模型模拟结果与观测数据进行比较。 我也期待书中能够详细阐述模型的不确定性来源，例如参数化方案、初始条件的不确定性，以及不同模型之间的差异。了解这些不确定性，有助于我们更审慎地解读气候模型预测的结果。

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这本书的体量确实不小，拿在手里沉甸甸的，但这也预示着其内容的丰富性。我最感兴趣的部分是关于海洋环流与气候变化的联系。长期以来，我一直对洋流如何输送热量、影响区域气候以及在全球碳循环中扮演的角色感到着迷。我希望《Climate System Modeling》能够详细解释墨西哥湾流、黑潮等重要洋流的动力学机制，以及它们如何与大气相互作用，形成复杂的耦合反馈。此外，我特别期待书中能够探讨海洋酸化、海平面上升等直接由气候变化引起的海洋问题，以及模型如何去量化和预测这些变化趋势。 我对书中关于冰冻圈（Cryosphere）的章节也抱有极大的期望。极地冰盖、冰川以及积雪覆盖对于地球的能量平衡至关重要，它们的变化直接影响着全球海平面和地表反照率。我希望《Climate System Modeling》能够详细介绍冰川融化、海冰消退的物理过程，以及这些过程如何被纳入气候模型之中。例如，我希望了解模型如何处理冰雪的相变、融化速率的计算，以及这些因素如何反过来影响大气温度和海洋环流。

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这本书的开篇就营造出一种严谨而全面的学术氛围。我非常关注书中关于辐射过程（Radiative Processes）的阐述。太阳辐射是地球气候系统的能量来源，而大气和地表的吸收、反射以及再辐射过程决定了地表温度的分布。我希望《Climate System Modeling》能够详细介绍瑞利散射、米氏散射、吸收带模型等辐射传输理论，以及不同温室气体（如二氧化碳、甲烷）如何影响地球的能量收支。 我也希望书中能够深入探讨云辐射反馈（Cloud-Radiation Feedbacks）。云层对太阳辐射和长波辐射都有显著的影响，其反馈机制是气候模型中最大的不确定性来源之一。我期待能够了解不同类型的云（如卷云、积云）如何影响地表温度，以及模型是如何处理这些复杂反馈的。

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这本书的纸质和印刷都相当不错，传递出一种专业的水准。我非常想深入了解书中关于气候建模中的数值方法（Numerical Methods in Climate Modeling）的部分。毕竟，模拟地球这样复杂系统的所有过程，需要强大的计算能力和精妙的数值算法。我希望《Climate System Modeling》能够介绍有限差分法、谱方法等数值离散技术，以及如何处理模型中的时间积分和空间插值。 此外，我也期待书中能够探讨高性能计算（High-Performance Computing）在气候建模中的作用，以及如何优化模型代码以充分利用现代超级计算机的计算能力。

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这本书的内容给我一种全面而深入的感觉。我特别期待书中关于气候反馈（Climate Feedbacks）的章节。地球气候系统中的反馈机制是影响气候敏感性的关键。我希望《Climate System Modeling》能够详细阐述水汽反馈、冰雪反照率反馈、云反馈等正负反馈过程，以及它们如何相互作用，共同决定了全球平均温度的变化。 同时，我也对书中关于气候突变（Climate Tipping Points）的讨论抱有浓厚的兴趣。例如，亚马逊雨林的突然退化、永久冻土的融化释放大量温室气体等，这些都可能导致气候系统发生不可逆转的变化。我希望能够了解这些突变是如何被识别和建模的。

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拿到这本厚重的著作，我立刻被其精炼的文字和清晰的逻辑所吸引。我特别感兴趣的是书中关于气候变率（Climate Variability）的讨论，这涉及到地球气候系统内部的自然波动。我希望《Climate System Modeling》能够详细介绍厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、太平洋年代际振荡（PDO）等重要的气候模态，以及它们是如何被建模和预测的。 同时，我也期待书中能够探讨短期气候变化（如年际到年代际尺度的变化）的原因和影响，例如干旱、洪水、极端天气事件的发生频率和强度变化。理解这些自然变率的机制，对于区分人类活动对气候的影响至关重要。

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这本书给我的第一印象是其内容的广博性。我对书中关于长期气候模拟（Long-term Climate Simulations）的部分非常感兴趣。我希望《Climate System Modeling》能够详细介绍如何模拟过去的气候变化，例如冰期-间冰期旋回，以及如何通过这些模拟来理解气候系统的长期行为和内在规律。 同时，我也期待书中能够探讨未来气候预测的不确定性，以及模型如何去量化和传达这些不确定性。理解这些长时序的模拟和预测，对于我们认识气候变化的演变轨迹至关重要。

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一直以来，我都在寻找一本能够系统性地阐述地球气候系统各个组成部分之间复杂相互作用的书籍。在无数的搜索和筛选后，我的目光最终落在了《Climate System Modeling》这本书上。拿到手后，我迫不及待地翻阅，这本书的厚重感和精美的排版就给我留下了深刻的第一印象。扉页上的作者简介让我对他们的专业背景有了初步的了解，他们的研究成果和在气候科学领域的声望，让我对书中内容的深度和严谨性充满了信心。 我特别关注的是书中对于大气环流模式的介绍。我一直对风、温度、湿度以及降水在全球范围内的分布和变化感到好奇，而《Climate System Modeling》似乎为我打开了一扇通往理解这些宏大现象背后机制的大门。我期待书中能够深入剖析哥白尼、哈德利、费雷尔等环流圈的形成原因，以及它们如何驱动着地球各地的天气模式。同时，我也希望能够学习到如何通过数值模型来模拟和预测这些环流的变化，了解模型中的关键参数是如何设定的，以及不同分辨率的模型会带来怎样的结果差异。

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这本书的重量让我感受到其内容的扎实。我尤其对书中关于社会经济因素与气候变化耦合（Coupling Socioeconomic Factors with Climate Change）的内容充满期待。气候变化并非单纯的物理过程，它深刻地影响着人类社会，同时也受到人类活动的驱动。我希望《Climate System Modeling》能够探讨碳排放情景（Emission Scenarios）的设定，以及如何将人类社会经济发展模型与气候模型耦合起来，以评估不同发展路径对未来气候的影响。 我也期待书中能够讨论气候变化适应与减缓（Climate Change Adaptation and Mitigation）的策略，并探讨模型如何在政策制定和决策过程中发挥作用。

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这本书给我最直观的感受就是其内容的广度和深度。我尤其想深入了解书中关于陆地表面过程（Land Surface Processes）的部分。土壤湿度、植被覆盖、地表反照率等因素在调节地表能量平衡和水分循环中起着至关重要的作用。我希望《Climate System Modeling》能够详细阐述植被如何通过蒸腾作用影响大气湿度和温度，以及不同类型的土地利用变化（如森林砍伐、城市化）如何对区域和全球气候产生影响。 此外，我非常期待书中关于生物地球化学循环（Biogeochemical Cycles）的章节。特别是碳循环，它与温室气体浓度以及全球变暖的驱动机制息息相关。我希望能够学习到关于光合作用、呼吸作用、土壤有机质分解等过程如何在模型中被表示，以及海洋和陆地生态系统如何吸收和释放二氧化碳。了解这些过程对于理解气候变化的长远影响至关重要。

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