Computational Geosciences with Mathematica pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:William Haneberg

出品人:

页数:404

译者:

出版时间:2004-7-20

价格:GBP 108.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540402459

丛书系列:

图书标签:

• Mathematica
• Computational Science
• Geosciences
• Modeling
• Simulation
• Numerical Analysis
• Earth Science
• Data Analysis
• Algorithms
• Scientific Computing

深入探索计算地球科学：方法、工具与前沿应用 一本面向研究人员、高级学生及专业实践者的权威指南 图书名称：《计算地球科学：方法、工具与前沿应用》 ISBN (虚构)： 978-1-945678-01-2 作者 (虚构)： 艾伦·麦克唐纳 (Alan MacDonald) & 索菲娅·陈 (Sophia Chen) --- 内容提要 《计算地球科学：方法、工具与前沿应用》旨在为读者提供一个全面且深入的视角，探讨当代地球科学研究中计算方法论的核心原理、先进算法的实现及其在复杂地球系统建模与数据分析中的实际应用。本书不局限于任何特定软件平台或编程语言的特定语法，而是聚焦于地球科学问题的本质、数值方法的选择依据、高效代码的架构设计以及大规模计算的策略。 本书的核心目标是培养读者将地球科学的理论知识转化为可操作、可验证的计算模型的能力，并使其能够批判性地评估和选择最适合解决特定科学问题的计算工具集。我们强调的是“如何思考”计算问题，而非仅仅“如何操作”软件。 全书内容围绕四大支柱构建：（一）基础计算范式与地球科学背景；（二）核心物理过程的数值模拟；（三）大规模地球系统数据处理与机器学习；（四）前沿应用与高性能计算挑战。 --- 第一部分：基础计算范式与地球科学背景 (Foundational Computational Paradigms) 本部分为后续复杂建模奠定坚实的数学和计算基础。 第一章：地球科学中的计算思维与问题分解 科学建模的层次结构： 从概念模型到微分方程，再到离散化。 误差分析与稳定性： 截断误差、舍入误差的来源及对地球物理结果的影响。 地球科学中的数据结构选择： 张量、网格（Cartesian, Spherical, Unstructured Meshes）的内存管理与高效访问策略。 数值方法的选择准则： 刚性问题（Stiffness）的识别与处理。 第二章：线性代数与高维地球系统 稀疏矩阵技术在地球物理中的应用： 处理大规模有限差分和有限元系统的存储方案（CSR, CSC, 填充系数的考量）。 特征值问题与模态分析： 在地球振动学（Seismology）和气候系统反馈中的应用。 迭代求解器的深入分析： Krylov 子空间方法（GMRES, BiCGSTAB）的收敛性、预处理技术（代数多重网格 Multigrid, ILU）。 非线性方程组的求解： 牛顿法及其变体在岩石力学和流体流动中的应用，欠定与超定问题的处理。 --- 第二部分：核心物理过程的数值模拟 (Numerical Simulation of Core Geophysical Processes) 本部分详细探讨将关键地球物理方程组离散化和求解的实际技术。 第三章：流体力学与传输过程的模拟 对流-扩散方程的数值解法： 稳定化技术（SUPG, DG）在弱解和高梯度区域的处理。 有限体积法（FVM）在地球流体动力学中的应用： 保守性（Conservation）的保证及其在地下水文和地幔对流中的重要性。 求解不可压缩流体： 处理质量守恒约束，如压力泊松方程的有效解法。 高分辨率格式与激波捕捉： Total Variation Diminishing (TVD) 方案在火山喷发或地震波传播中的应用。 第四章：波动力学与时间演化模拟 波动方程的时间积分方案： 中心差分、Runge-Kutta 方法的精度与稳定性权衡。 有限差分法（FDM）在地震波传播中的实现： 边界条件的处理（PML 层设计）。 谱方法（Spectral Methods）在高频精度要求下的优势与局限性。 正向和逆向问题的耦合： 建立正演模型与观测数据之间的计算桥梁。 第五章：连续介质力学与固态地球过程 有限元法（FEM）的理论基础与网格生成： 如何处理复杂的地质界面和地形。 本构关系（Constitutive Relations）的集成： 粘塑性、粘弹性材料模型的数值实现。 大规模变形的模拟： 时间步长控制策略与隐式求解器的选择。 热-力-化学耦合（THC）的数值挑战与解耦策略。 --- 第三部分：大规模地球系统数据处理与机器学习 (Big Data Processing and Machine Learning in Geosciences) 本部分关注现代地球科学中日益增长的数据量（遥感、地震记录、模拟结果）的管理、分析及从数据中学习的计算方法。 第六章：地球科学数据的管理、可视化与预处理 元数据标准与数据互操作性： NetCDF/HDF5 格式的高效读写与并行I/O。 高维数据降维技术： 主成分分析（PCA）和独立成分分析（ICA）在信号分离中的应用。 科学可视化的关键挑战： 大型三维数据的切片、体积渲染与交互式探索。 不确定性量化（UQ）的计算框架： 蒙特卡洛方法、敏感性分析的构建。 第七章：基于计算的学习方法 深度学习在地球物理反演中的角色： 使用卷积网络（CNNs）进行特征提取和快速正演代理建模。 生成模型（GANs）在模拟数据合成和缺失数据恢复中的潜力。 集成学习与集成模拟： 结合多个模型输出以提高预测鲁棒性。 可解释性AI（XAI）在验证物理模型假设中的应用。 --- 第四部分：前沿应用与高性能计算挑战 (Advanced Applications and HPC Challenges) 本部分将理论与实践相结合，探讨在超级计算环境中解决实际地球科学问题的复杂性。 第八章：并行计算架构与分布式内存编程 MPI（Message Passing Interface）在地球模型中的应用模式： 域分解、负载均衡的实现。 GPU加速计算： CUDA/OpenCL 在处理网格数据和密集矩阵运算中的优势与编程范式转换。 内存层级管理： 优化缓存利用率和避免不必要的全局通信。 混合并行策略： CPU（MPI）与加速器（OpenMP/CUDA）的协同工作。 第九章：模型校准、反演与数据同化 变分同化方法（4D-Var）： 伴随模型（Adjoint Model）的构建与内存优化。 卡尔曼滤波及其扩展形式（Ensemble Kalman Filter）： 在实时监测系统中的计算效率考量。 大规模优化算法： 共轭梯度法、L-BFGS 在反演问题中的并行化。 第十章：前沿案例研究与未来计算方向 行星尺度模拟的挑战： 耦合大气、海洋、冰雪圈模型的计算资源需求。 断层带摩擦与地震周期的计算建模。 新兴的量子计算在地球科学模拟中的潜在颠覆性作用。 --- 读者对象 本书适合具有扎实数学和物理基础，并希望在地球科学领域（包括地球物理学、地质学、水文学、环境科学）中掌握高级计算技能的研究生、博士后研究人员、以及工业界进行地球模型开发与数据分析的工程师和科学家。 本书侧重于原理和方法论的深度挖掘，要求读者具备一定的编程基础和对数值分析的初步理解。 它提供了理论的严谨性和计算实践的指导，确保读者能够独立设计、实现并优化复杂的地球科学计算解决方案。

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