Lagrangian Transport in Geophysical Jets and Waves pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Roger M. Samelson

出品人:

页数:160

译者:

出版时间:2006-08-16

价格:USD 59.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387332697

丛书系列:

图书标签:

• 数学
• Lagrangian transport
• Geophysical fluid dynamics
• Jets
• Waves
• Oceanography
• Atmospheric science
• Numerical modeling
• Chaos
• Mixing
• Transport theory

涡旋的边界：海洋与大气中的非线性动力学 本书深入探讨了地球流体动力学领域中一个迷人且至关重要的分支：局地尺度上流体运动的非线性特征，特别是涡旋的生成、维持与耗散机制。我们的关注点聚焦于那些驱动全球气候系统、影响天气模式乃至海洋环流的复杂、非线性的动力过程，这些过程往往在传统线性模型中被简化或忽略。 第一部分：基础框架与尺度分析 本书首先为读者建立起分析地球流体运动所需的数学和物理基础。我们从纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）在行星尺度下的简化形式——浅水方程（Shallow Water Equations）和Boussinesq近似出发，强调了科里奥利力（Coriolis Force）在动量平衡中的核心作用。 我们详细阐述了无量纲化在识别主导物理过程中的关键性。通过对爱克曼数（Ekman Number）、罗斯比数（Rossby Number）和傅汝德数（Froude Number）的系统分析，读者将理解何种尺度上的运动更可能表现出显著的非线性效应。特别地，我们将深入探讨中尺度涡旋（Mesoscale Eddies）的动力学，它们在海洋热量和物质再分配中扮演着决定性角色，其特征尺度往往介于行星尺度和混合层尺度之间。 一个关键章节致力于涡量理论（Vorticity Theory）。我们超越了简单的绝对涡量守恒，转向研究物质点涡量、相对涡量和势涡量（Potential Vorticity）的传输与扭曲。势涡量的非均匀分布被证明是激发斜压不稳定的根本原因，这种不稳定性是驱动温带气旋和海洋锋面系统发展的主要机制。 第二部分：涡旋的生成与局地不稳定性 本部分是全书的核心，专注于机制上如何从背景流场中“涌现”出分离的、具有显著生命周期的涡旋结构。 2.1 斜压不稳定性（Baroclinic Instability） 我们对斜压不稳定进行了详尽的、基于能量转换的分析。不同于传统的霍尔-哈门（Hollingsworth-Haltiner）稳定性分析，本书侧重于三维涡度场与三维密度场相互作用的细节。我们使用准地转（Quasi-geostrophic, QG）模型作为起点，但随后引入了更精确的非地转修正（Non-Boussinesq and Non-QG effects），特别是那些由垂直风切变（Vertical Wind Shear）和底部摩擦（Bottom Friction）引起的能量提取机制。我们将探讨地转平衡的局部失效如何导致涡旋的快速增强，以及这一过程如何影响平均流（如西风带或洋流）的结构。 2.2 地转平衡的破缺与涡旋的形成 本书特别关注惯性不稳定性（Inertial Instability）和对称不稳定（Symmetric Instability）在边界层附近的激发。在强烈的垂直或水平风切变区域，例如极地急流或强洋流的侧边界，流场可能偏离地转平衡。 对称不稳定性：我们通过分析广义 Ertel 势涡量的垂直梯度，揭示了在强垂直风切变、稳定浮力层结（Static Stability）的背景下，涡旋如何通过拉伸和扭曲（Stretching and Tilting）机制被激发。这对于理解强对流风暴的深层旋转以及深海急流的涡旋串的生成至关重要。 惯性不稳定性：当局部 Rossby 数接近或超过 1 时，惯性力主导。我们分析了这种不稳定性如何导致水平切变流中形成非地转性的、高度旋转的结构，这类结构在海洋环流的湍流混合区域非常常见。 第三部分：涡旋的输运、相互作用与耗散 一旦涡旋形成，其生命周期内的行为——如何移动、与其他结构交互以及最终如何衰减——是理解气候变率的关键。 3.1 涡旋的自组织与群组行为 我们超越了单个涡旋的描述，转而研究涡旋群（Vortex Aggregations）的动力学。利用半拉格朗日方法（Semi-Lagrangian Methods）和有效势理论（Effective Potential Theory），我们模拟了涡旋如何表现出类粒子行为。特别地，我们将分析二元涡旋的相互作用，包括它们的合并（Merger）、排斥（Repulsion）以及在非均匀背景场中的漂移。本书将对比海洋中的涡旋对（如大西洋的墨西哥湾流涡旋）与大气中的气旋群（如中纬度气旋的集群）在动力学上的异同。 3.2 边界与环境的反馈作用 涡旋的生命周期强烈依赖于它们所处的环境，特别是与边界层和背景流的相互作用。 海洋中的涡旋-地形相互作用：我们详细分析了涡旋在跨越海山或大陆架边缘时如何发生涡旋分裂（Vortex Splitting）或涡旋捕获（Vortex Trapping）。这种交互作用常常导致局地深层水上涌或下沉，对海洋生态系统产生重大影响。 大气中的涡旋-地形相互作用：在山区，涡旋的垂直结构可能被地形强制扭曲，导致山脉涡旋的生成，这与山脉下的气流加速和局地强风事件密切相关。 3.3 湍流与耗散机制 最终，所有涡旋都将耗散。我们探讨了在地球流体中，湍流（Turbulence）如何作为一种有效混合和耗散能量的机制。 二次环流（Secondary Circulation）：涡旋内部的次级环流（如厄克曼抽吸或非地转上升/下沉）是物质输运的主要驱动力。我们使用高分辨率数值模拟的结果，量化了这些二次环流对涡旋中心温度和盐度/湿度的影响。 尺度依赖的耗散：不同于经典湍流理论，地球流体中的耗散通常在小尺度由粘性支配，但在中大尺度上，动能的有效转移是通过逆级串过程（Inverse Cascade）实现的，即能量从小尺度向大尺度流动，最终被背景流吸收。本书将对这种不同于标准湍流的能量级串进行深入的讨论。 结论：从局地动力学到全球气候 本书的结论部分旨在将这些局地、非线性的涡旋动力学与更宏大的地球系统联系起来。我们将论证，对涡旋输运和耗散机制的精确理解，是改进气候模型中参数化方案（Parameterization Schemes）的关键。缺乏对非线性涡旋演化的准确描述，将导致对热带海洋温度、中纬度风暴路径以及海洋热含量分布预测的系统性偏差。本书提供了一个整合性的框架，用以理解地球流体中“小”结构如何塑造“大”尺度现象。

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