A Mathematical Theory of Large-Scale Atmosphere/ Ocean Flow pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Cullen, Michael J. P.

出品人:

页数:259

译者:

出版时间:

价格:54

装帧:HRD

isbn号码:9781860945182

丛书系列:

图书标签:

• 大气科学
• 海洋学
• 数学模型
• 气候动力学
• 数值模拟
• 混沌理论
• 非线性动力学
• 大气环流
• 海洋环流
• 地球系统

《气候动力学：大气与海洋的广域相互作用》 本书概述 《气候动力学：大气与海洋的广域相互作用》深入探讨了驱动地球气候系统的两大核心介质——大气和海洋——之间复杂的、尺度巨大的能量、动量和物质交换过程。本书聚焦于宏观尺度下的流体力学、热力学以及化学传输机制，旨在为读者提供一个理解全球气候系统稳定性和变率的坚实理论框架。我们避开微观尺度的湍流细节或区域性的天气预报模型，转而强调跨越数千公里的大尺度环流模式及其对气候长期演变的影响。 第一部分：基础理论与框架构建 本书的第一部分奠定了理解广域气候动力学所需的数学和物理基础。我们首先回顾了牛顿力学在地球参考系中的应用，特别是科里奥利力的引入，并详细推导了宏观流体运动的基本方程组——原始方程组（Primitive Equations）。这些方程组是描述大气和海洋运动的基石，本书将重点分析在行星尺度下，这些方程如何被简化以突出主要驱动力。 1.1 宏观流体动力学基础： 重点分析静力平衡假设（Hydrostatic Balance） 在大气垂直结构中的有效性，并讨论在海洋深水区，压力梯度力与浮力（基于密度差异）之间的平衡关系。我们使用比奈奥-拉格朗日（Boussinesq Approximation） 来处理因温盐度变化引起的密度扰动，这对于理解海洋热盐环流至关重要。 1.2 尺度分析与地转平衡： 详细阐述罗斯比数（Rossby Number） 和弗鲁德数（Froude Number） 在区分不同尺度运动中的关键作用。本书着重分析了在行星尺度上，地转平衡（Geostrophic Balance）如何主导了主要的水平风场和洋流结构，并探讨了地转适应（Geostrophic Adjustment）过程，即系统如何快速趋近于这种平衡状态。 1.3 热力学框架： 深入研究大尺度运动中的能量守恒和熵产生。本书详细分析了大气中的绝热过程（如气块的上升和下沉）及其与水汽凝结潜热释放的耦合。在海洋部分，我们侧重于热力学方程的转化，特别是处理太阳辐射吸收、长波辐射排放以及湍流通量对海洋表层温度的贡献。 第二部分：大气广域环流的机制 第二部分将焦点转向大气环流，重点分析维持全球热量再分配的机制。 2.1 摩擦力与非地转运动： 虽然地转平衡在宏观上占主导，但本书强调了行星边界层中摩擦力的作用。我们使用Ekman 理论来解释地表风场如何驱动表层海洋的辐合辐散，以及大气中弱的非地转成分（如惯性稳定性与涡度方程）如何引导中尺度扰动的发展。 2.2 环流的驱动力： 详尽分析哈德里环流（Hadley Circulation）、费雷尔环流（Ferrel Circulation） 和极地环流（Polar Cell） 的形成机制。重点讨论了地球自转和热力梯度如何共同作用，通过爱克曼输送（Ekman Transport） 驱动了热带的下沉和中纬度的上升。 2.3 涡度理论与中纬度天气系统： 本部分引入绝对涡度方程，用以描述中纬度气旋和反气旋的演化。本书详细分析了斜压不稳定性（Baroclinic Instability） 理论，解释了为什么在温度梯度最大的区域（如锋带）会自发地生成大规模的、与天气相关的波动，并探讨了这些波动如何传递角动量，从而维持环流的整体结构。 第三部分：海洋环流与热盐动力学 第三部分转向海洋内部的运动，重点分析水团的水平和垂直输运。 3.1 大尺度海洋环流： 深入探讨大尺度西向边界流（Western Boundary Currents） 的形成，特别是大洋环流（Gyres） 的动力学。本书利用Sverdrup 理论来解释大尺度风场驱动下的海洋表层水体运输，并强调了Munk 理论如何纳入底部摩擦力来完整描述整个大洋环流的闭合。 3.2 热盐环流（Thermohaline Circulation）： 专门辟出一章来分析深海环流，即“全球传送带”。本书详细解释了驱动这一系统的物理过程：深层水团的形成（在北大西洋和南大洋的冷却和盐度增加）和水团的下沉。我们分析了密度（温度和盐度）在深海中的垂直扩散和水平平流对全球热量再分配的长期贡献。 3.3 斯托克斯漂移与Ekman 泵： 在海洋部分，我们细致区分了风驱动的表层水流与地转平衡下的纯粹质量输送。重点分析了Ekman 泵如何导致海洋表层的辐合和辐散，进而引起上升流（Upwelling）和下沉流（Downwelling），及其对海洋生态系统和碳循环的至关重要性。 第四部分：大气与海洋的耦合 本书的最后一部分将前三部分的理论融会贯通，探讨两大系统间的能量和动量反馈。 4.1 气-海界面通量： 详细分析了海气界面上动量（应力）、热量（潜热和感热）和水汽交换的参数化方案。我们重点研究了湍流扩散在边界层内的作用，以及海洋表面温度（SST）如何反作用于大气稳定性和风场强度。 4.2 气候振荡现象： 运用耦合动力学原理，解释了全球尺度上最重要的气候变率模式，如ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）。本书通过分析克尔文波、罗斯比波以及海气耦合反馈回路，清晰地描绘了热带太平洋中东部海温异常如何通过大气环流变化（如Walker 环流）自我维持或衰减。 4.3 气候敏感性与反馈： 最后，本书讨论了当前气候系统对外部强迫（如温室气体增加）的响应。我们关注长波辐射强迫如何改变大气温度剖面，进而影响风场结构和海洋热量吸收能力。这部分强调了云反馈、冰雪反照率反馈等关键机制如何放大或抑制初次强迫信号，从而决定了地球的长期气候敏感性。 目标读者 本书面向具有扎实微积分和微分方程基础的物理学、地球科学、大气科学及海洋学高年级本科生和研究生，是建立全球气候模型（GCMs）或从事大气/海洋动力学研究的科研人员的理想参考书。本书的目的是构建清晰的理论认知，而非提供实际的数值模拟技术细节。

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