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出版者:

作者:Frederick, John E.

出品人:

頁數:211

译者:

出版時間:2007-11

價格:$ 81.30

裝幀:

isbn號碼:9780763740894

叢書系列:

圖書標籤:

• 大氣科學
• 氣象學
• 大氣物理
• 大氣化學
• 氣候學
• 環境科學
• 地球科學
• 大氣動力學
• 遙感
• 大氣輻射

大氣科學原理：揭示我們賴以生存的藍色外衣的奧秘 《大氣科學原理》 是一部深度聚焦於地球大氣層復雜動力學、熱力學、輻射傳輸以及化學過程的權威性著作。本書旨在為學習者、研究人員以及所有對塑造我們日常天氣和長期氣候的機製懷有濃厚興趣的人士，提供一套全麵、係統且嚴謹的理論框架和觀測基礎。 本書的結構設計，從最基礎的物理學原理齣發，逐步構建起理解大氣現象所需的復雜模型。它不僅僅是一本描述性的教科書，更是一部深入探究“為什麼”和“如何”的科學探索之旅。 第一部分：大氣物理學基礎——構建理解的基石 本捲首先將讀者帶入大氣科學的物理學核心。我們探討瞭大氣層的構成——從近地錶的混閤層到稀薄的電離層——強調瞭氣體組分，尤其是水汽和微量氣體（如二氧化碳和臭氧）如何決定大氣的熱力學性質。 流體力學的應用： 章節詳細闡述瞭氣體的基本運動定律，包括理想氣體定律在氣壓和密度垂直分布中的應用（如氣壓遵從的玻爾茲曼分布）。關鍵的篇幅被分配給流體力學的核心概念：科裏奧利力、地轉風平衡、梯度風平衡，以及如何利用這些平衡來理解大氣中宏偉的環流模式，如信風帶和西風急流。 熱力學基礎： 大氣熱力學是理解天氣變化的關鍵。本書深入分析瞭濕空氣的熱力學過程，區分瞭乾絕熱廓綫和濕絕熱廓綫，並引入瞭位溫、相當位溫等關鍵保守量。對相變過程的詳盡討論——包括蒸發、凝結、升華——是理解雲的形成和降水機製的先決條件。 輻射傳輸理論： 太陽和地球錶麵的能量交換構成瞭大氣運動的根本驅動力。本部分嚴格審視瞭電磁輻射理論在大氣中的應用。我們討論瞭太陽短波輻射和地球長波輻射的特性，重點分析瞭大氣吸收、散射和透射的物理機製。光譜吸收綫的概念被用來解釋溫室效應的分子基礎，並精確計算瞭不同氣體（水汽、CO2、甲烷）在特定波段的輻射強迫。 第二部分：雲、天氣與中尺度現象——從微觀到局地的觀測與模擬 在掌握瞭基礎的物理定律後，本書將視角轉嚮實際的天氣現象，解析空氣團的演變和水循環的復雜過程。 微物理過程與雲的形成： 這一章節是連接熱力學與可見天氣的橋梁。我們詳細考察瞭雲凝結核（CCN）和冰核（IN）的作用，它們是水滴和冰晶得以形成的必要條件。對雲滴增長的兩種主要機製——碰撞-閤並過程和冰晶過程（貝吉隆過程）——進行瞭深入的數學建模和現象學描述。降水形成的臨界條件和效率差異被清晰地剖析。 大氣穩定性和對流： 大氣穩定性是決定天氣劇烈程度的核心參數。本書利用浮力概念，引入瞭濟-希夫-卡爾森（LI/SI）指數、假相當位溫垂直梯度等工具來量化大氣層結的垂直穩定性。對流的發生、發展及其組織化（如颮綫和超級單體風暴）的動力學機製，通過三維運動場的分析得到充分闡釋。 天氣係統動力學： 本部分聚焦於尺度更大的天氣係統，包括氣鏇和反氣鏇的生成、維持和消亡。重點分析瞭鋒麵理論，解釋瞭冷鋒和暖鋒的結構及其伴隨的天氣現象。中尺度係統（如海陸風、山榖風、地形強迫下的局地環流）的分析，強調瞭邊界層動力學和地形摩擦力的作用。 第三部分：全球環流與氣候動力學——地球尺度的視角 為瞭超越局地天氣預報的範疇，本書的最後一部分將目光投嚮瞭塑造全球氣候的宏大尺度過程。 大氣環流的理論模型： 經典的三圈環流模型（哈德裏環流、費雷爾環流、極地環流）被用作理解緯度間能量再分配的框架。本書深入探討瞭環流的非緯嚮（波動的）分量，包括行星波（如羅斯比波）的傳播、斜壓不穩定性，以及它們如何通過中緯度氣鏇活動將熱量和動量輸送到極地。 海洋與大氣相互作用（ENSO）： 現代氣候科學的核心是認識到海洋與大氣並非孤立的係統。本章詳細介紹瞭海洋熱容量、混閤層深度、海氣通量交換。特彆是對厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）的機製進行瞭深入剖析，從熱帶太平洋上的Walker環流異常到全球遙相關效應的傳遞，揭示瞭氣候係統內部的復雜反饋。 氣候變化與長期趨勢： 鑒於當前環境的緊迫性，本書專門闢齣章節討論氣候變化的物理基礎。這包括對輻射平衡的長期擾動分析、氣候反饋機製（如冰雪反照率反饋、水汽反饋）的作用量化，以及氣溶膠（自然源和人為源）對輻射和雲過程的影響。本書強調瞭模式模擬（GCMs）在預測未來氣候情景中的基礎作用，並討論瞭不確定性來源。 總結： 《大氣科學原理》不僅僅是對大氣現象的羅列，它提供瞭一套由基本物理定律（牛頓定律、能量守恒、質量守恒）嚴格推導齣的分析工具箱。通過對大氣流體、能量轉化和水循環的綜閤考察，讀者將能夠以一種量化和預測性的視角來理解我們賴以生存的這層稀薄而至關重要的保護殼。本書的深度和廣度，使其成為大氣科學領域研究和教學的必備參考書。

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這本《大氣科學原理》讀起來，感覺就像是作者在試圖用一種極其宏大且幾乎讓人望而生畏的筆觸，勾勒齣我們頭頂那片無邊無際的空氣世界的全貌。它不像我預期的那樣，是一本專注於氣象觀測技術或特定天氣現象的教科書，它更像是一部關於“為什麼會是這樣”的哲學思辨錄，隻不過載體是大氣運動。書中對流體力學在行星尺度上的應用進行瞭深入淺齣的探討，雖然“深入淺齣”在這裏帶有強烈的反諷意味，因為很多章節需要讀者具備紮實的微積分和偏微分方程基礎纔能勉強跟上思路。我尤其對其中關於地轉風平衡與梯度風平衡的章節印象深刻，作者似乎並不滿足於給齣公式，而是花瞭大量的篇幅去解釋這些平衡狀態是如何在地球麯率和科裏奧利力的共同作用下，塑造瞭我們日常可見的信風帶和西風急流。閱讀過程中，我多次停下來，反復咀嚼那些關於大氣熱力學第一定律在絕熱過程中的具體錶述，那種嚴謹到令人窒息的數學推導，確實讓我對天氣係統的內在驅動力有瞭更深層次的理解，盡管這種理解是以犧牲部分閱讀的流暢性為代價的。總而言之，它更像是寫給未來氣候學傢看的“聖經”，而非給普通愛好者入門的“導覽手冊”。

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拿到這本書，我的第一反應是，這排版簡直是上個世紀的産物，厚重的紙張和略顯擁擠的字體，讓人感覺它本身就攜帶著一種陳舊的、不容置疑的權威性。然而，一旦沉浸其中，那種古老感就被書中對氣候係統能量收支的精妙剖析所取代。作者似乎對太陽輻射在地球係統中的旅程癡迷不已，書中花瞭整整四章的篇幅來解析短波和長波輻射的傳輸、吸收和再輻射過程，尤其是對雲層反射率和溫室氣體吸收光譜的詳細討論，精確到令人發指。我發現，作者在處理復雜概念時，極少使用現代教科書那種花哨的圖錶和彩色插圖，而是依賴於大量的文字描述和手繪的示意圖，這反而迫使讀者必須在大腦中主動構建三維模型。當我讀到關於大氣邊界層湍流混閤的章節時，那種混亂而又富有規律的微尺度運動被作者用一係列精妙的統計學模型描述齣來，仿佛能感受到空氣中每一個渦鏇的起舞。這本書的優點在於其理論的完整性，但缺點也十分明顯：它幾乎不涉及任何現代的遙感技術或數值模擬方法，讀完後，你或許能解釋“為什麼”會下雨，但對“如何”預測明天幾點的降雨，卻毫無頭緒。

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這本書的結構安排實在太跳躍瞭，簡直像是一位經驗豐富但略顯古怪的教授在講授他的私人課堂。它不是按照“氣壓、溫度、濕度”這種標準流程展開的，而是開篇就直接拋齣瞭一個宏大的概念——“大氣環流的非綫性動力學本質”。這立刻將讀者推入瞭對擾動方程和穩定性分析的深水區。我必須承認，在閱讀關於中尺度對流復閤體（MCCs）形成機製的那部分時，我不得不藉助外部資源來理解作者所引用的那些晦澀的、帶有明顯時代烙印的動力學術語。書中對大氣重力波傳播的論述尤其精彩，作者巧妙地將這種波動與山脈障礙和熱帶輻閤帶的激發聯係起來，展示瞭能量如何在不同尺度的運動中進行傳遞和轉換。但奇怪的是，書中對水循環的討論卻顯得相對簡略，似乎作者認為水汽不過是影響密度的一個次要因子，而非驅動天氣變化的核心要素。這種重點的偏移，使得這本書讀起來極度偏科，對熱力學和動力學的側重，使得普通讀者很容易産生一種被“高冷”理論壓製的挫敗感。

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這本書的閱讀體驗是矛盾的，一方麵，它展現瞭大氣科學最核心、最堅實的理論骨架，另一方麵，它又完全脫離瞭實際應用的泥土氣息。例如，書中對鋒麵理論的闡述，完全聚焦於鋒麵作為密度間斷麵在動力學上的意義，幾乎沒有涉及鋒前降水帶的類型劃分或對流雲的垂直結構——那些在天氣預報中至關重要的“可見特徵”。我注意到，作者在論證雲的形成時，更傾嚮於使用凝結核的錶麵能理論，而非我們現在更熟悉的過飽和度與水汽壓力的平衡關係。這種對基礎物理學概念的偏執性挖掘，讓這本書在介紹一些基本現象時顯得異常冗長，而對一些實際問題，如城市熱島效應或空氣汙染物的長距離輸送，則避而不談，仿佛這些是“工程學”而非“科學原理”的範疇。讀完後，我感覺自己像是剛剛經曆瞭一場嚴酷的智力訓練，掌握瞭大氣運動的“第一原理”，但如果讓我立刻去解釋今天為什麼會突然起風，我可能還是得翻閱一本更偏嚮觀測和應用的資料。

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我花瞭很長時間纔啃完這本書的前半部分，主要是因為作者對“氣候”而非“天氣”的執念太深瞭。這本書與其叫《大氣科學原理》，不如叫《地球長期熱力平衡下的氣動理論基礎》。其中關於冰反照率反饋機製的討論，簡直是一篇獨立的、長篇的學術論文的節選，作者詳細地模擬瞭地錶反射率變化如何導緻全球平均溫度的非綫性響應，這部分內容非常具有前瞻性，盡管其引用的數據模型顯然已經過時。但最讓我感到意外的是，書中對“臭氧層”的討論幾乎是蜻蜓點水，僅僅在提到紫外綫輻射對對流層頂熱力結構影響時一筆帶過，這在今天的環境科學背景下，顯得極其不閤時宜。這本書的語言風格極其沉穩，幾乎沒有使用任何感嘆號或疑問句，仿佛作者在嚮你陳述宇宙的鐵律，不容置疑。它教會瞭我大氣是一個巨大的、自我調節的係統，但它也讓我感覺，我讀完的更像是一部關於“理想化大氣”的理論構建，而非我們每天呼吸的、充滿變數的真實空氣。

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