Spherical Functions of Mathematical Geosciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Schreiner, Michael

出品人:

页数:618

译者:

出版时间:

价格:$ 270.07

装帧:

isbn号码:9783540851110

丛书系列:

图书标签:

• Spherical harmonics
• Geosciences
• Mathematical geophysics
• Potential theory
• Boundary element method
• Numerical analysis
• Functional analysis
• Harmonic analysis
• Geodesy
• Remote sensing

流体世界：地球科学中的动力学方程与模型 本书深入探索流体动力学在地球科学各个分支中的核心作用，为读者提供一套理解地球复杂运动系统的理论框架与实用工具。我们将目光聚焦于地球的流体包层——大气、海洋，以及地球内部的熔融层和地下水系统，揭示驱动其运动的 fundamental principles，并阐述如何通过数学模型来模拟、预测和理解这些动态过程。 第一部分：流体运动的基本原理 在进入具体地球科学应用之前，我们首先需要构建坚实的流体力学基础。本部分将从纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）的推导入手，这组方程是描述粘性不可压缩流体运动的基石。我们将详细解析方程中的各项，包括惯性力、压力梯度力、粘性力和外力（如重力、科里奥利力等），并讨论在不同尺度和条件下，这些方程的简化形式及其物理意义。 连续性方程（Continuity Equation）: 探讨质量守恒定律在流体运动中的体现，理解流体密度的变化与速度场的关系。 动量方程（Momentum Equation）: 深入分析流体所受的各种力的平衡，以及这些力如何驱动流体的加速和流动。 能量方程（Energy Equation）: 考察流体内部的热量传递过程，包括传导、对流和辐射，以及能量守恒在流体系统中的重要性。 粘性与湍流（Viscosity and Turbulence）: 区分层流与湍流两种流体运动状态，探讨粘性在耗散能量和影响流动模式中的作用，并初步介绍描述湍流的统计方法。 边界条件与初始条件（Boundary and Initial Conditions）: 强调精确定义边界（如地球表面、海洋底部）和初始状态（如某一时刻的温度、速度分布）对于求解流体方程的关键性。 第二部分：大气科学中的流体动力学 地球的大气层是一个充满活力和复杂性的流体系统，其运动直接影响着全球气候和天气模式。本部分将详细阐述流体力学如何成为理解大气现象的有力工具。 地球大气动力学基础: 引入地球自转带来的科里奥利力（Coriolis force），以及它对大气运动（如信风、西风带、气旋和反气旋）的决定性影响。我们将推导并解释平衡方程（如地转风近似）在分析大尺度大气环流中的作用。 热力学与大气稳定性: 探讨大气中的温度、湿度和压力如何相互作用，形成不同的稳定度和不稳定度。我们将分析绝热过程、湿绝热过程，以及这些过程如何驱动对流、云的形成和降水。 天气系统的动力学: 深入研究锋面（fronts）、气旋（cyclones）和反气旋（anticyclones）的形成、演变和移动。我们将利用流体动力学原理来解释这些系统的结构、发展机制以及它们如何携带能量和水分。 气候的动力学: 探讨大尺度大气环流模式（如哈德里环流、费雷尔环流、极地环流）及其在全球能量和水分平衡中的作用。我们将分析厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等气候现象背后的动力学机制。 数值天气预报模型: 介绍现代天气预报模型的基本构建原理，包括如何将流体力学和热力学方程离散化，并在计算机上进行数值求解，以及模型中的误差来源和改进方向。 第三部分：海洋学中的流体动力学 海洋同样是一个巨大的流体系统，其运动深刻地影响着全球气候、生态系统以及人类活动。本部分将重点关注海洋中的流体力学现象。 海洋动力学基础: 讨论海水密度变化（由温度和盐度引起）所驱动的温盐环流（thermohaline circulation）。我们将分析密度梯度力如何与科里奥利力相互作用，形成复杂的洋流系统。 海面动力学与波浪: 探讨风如何驱动海面产生各种类型的波浪，包括重力波、表面张力波以及海岸附近的海啸（tsunamis）。我们将介绍波浪传播、能量传输以及在浅水区波浪破碎的动力学过程。 潮汐动力学: 解释潮汐的成因，主要是月球和太阳的引力作用，以及潮汐在不同海岸线上的表现。我们将探讨潮汐在沿海地区引起的潮流和水位变化。 大尺度海洋环流: 描绘全球主要洋流系统，如湾流（Gulf Stream）、黑潮（Kuroshio Current）等，并解释它们如何由风驱动（风生环流）和密度驱动（温盐环流）的综合作用形成，以及它们在全球能量和物质输运中的重要作用。 近岸海洋动力学: 关注沿海区域的流体运动，包括潮汐、海浪、河口动力学以及泥沙输运。我们将分析这些过程对海岸线侵蚀、沉积和水质的影响。 海洋数值模型: 介绍用于模拟海洋环流、温度、盐度分布以及海洋污染物扩散的数值模型，以及模型在海洋资源管理和环境监测中的应用。 第四部分：地球内部流体动力学 即使在地球坚硬的地壳之下，流体动力学也扮演着至关重要的角色。本部分将探讨地幔对流以及地下水系统的动力学。 地幔对流（Mantle Convection）: 解释地球内部放射性衰变和初始热量引起的温度梯度如何驱动地幔的缓慢对流。我们将讨论地幔对流是驱动板块构造（plate tectonics）的根本动力，以及它如何影响火山活动、地震和地貌的形成。 岩浆动力学（Magma Dynamics）: 探索熔融岩石（岩浆）在地球内部的运动，包括其浮力驱动的上升、岩脉的形成以及火山喷发的动力学过程。我们将分析岩浆粘度、密度和相变如何影响其流动行为。 地下水流（Groundwater Flow）: 介绍地下水的运动，主要受达西定律（Darcy's Law）描述。我们将探讨地下水渗透性、水力梯度、含水层（aquifers）以及地下水流动如何影响地表水体、土壤侵蚀以及地下资源的分布。 地热系统动力学（Geothermal System Dynamics）: 探讨地下热量如何驱动地下水的循环，形成地热现象，如温泉、间歇泉等。我们将分析热传导、对流以及地下流体压力在这些系统中的作用。 第五部分：流体动力学在地球科学中的综合应用与前沿 本部分将整合前几部分的内容，展示流体动力学在解决实际地球科学问题中的综合应用，并展望未来的研究方向。 耦合模型（Coupled Models）: 探讨大气、海洋、冰雪圈和陆地表面之间的相互作用，以及如何构建能够同时模拟这些不同圈层动力学的复杂耦合模型，以理解气候系统的整体行为。 地球流体力学的数值方法: 深入介绍用于解决复杂流体方程的数值方法，如有限差分法（Finite Difference Method）、有限元法（Finite Element Method）和谱方法（Spectral Method），以及它们各自的优缺点和适用范围。 数据同化（Data Assimilation）: 解释如何将观测数据（如卫星遥感、地面站点测量）融入到流体动力学模型中，以提高模型的精度和预测能力。 地球科学中的流体不稳定性: 讨论在不同地球系统中出现的各种流体不稳定性，例如对流中的瑞利-贝纳不稳定性（Rayleigh-Bénard instability）、海洋中的斜压不稳定性（baroclinic instability）等，以及它们如何导致复杂和混沌的现象。 开放问题与未来展望: 展望地球流体力学领域尚未解决的关键问题，例如湍流的精确描述、长期气候预测的精度提升、以及对极端天气事件的更准确预测等，并探讨新兴技术（如机器学习、高性能计算）在该领域的潜在应用。 通过对本书内容的深入学习，读者将能够掌握一套强大的理论和方法论工具，用以理解、分析和模拟地球流体系统的复杂运动。无论您是大气科学家、海洋学家、地质学家，还是对地球系统充满好奇的学者，本书都将为您提供宝贵的知识财富。

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