具体描述
This textbook provides a mathematical introduction to the theory of large-scale ocean circulation. It is accessible for readers with an elementary knowledge of mathematics and physics, including continuum mechanics and solution methods for ordinary differential equations.At the end of each chapter several exercises are formulated. Many of these are aimed to further develop methodological skills and to get familiar with the physical concepts. New material is introduced in only a few of these exercises. Fully worked out answers to all exercises can be downloaded from the book 's web site.
《地球物理流体力学前沿：大气与海洋的耦合动力学》 作者： [此处填写虚拟作者姓名，例如：张伟, 李明] 出版信息： [此处填写虚拟出版社，例如：高等教育出版社] ISBN： [此处填写虚拟ISBN号，例如：978-7-04-058799-3] --- 内容提要 本书深入探讨了地球物理流体力学领域中，大气与海洋相互作用这一复杂且至关重要的课题。作为连接大气科学与海洋科学的桥梁，本书不仅全面梳理了驱动地球气候系统的基本物理原理，更着重分析了海洋环流、大气环流及其边界层之间的能量、动量和物质交换过程。全书结构严谨，内容涵盖了从理论基础到前沿模型模拟的广阔范围，旨在为地球系统科学的研究者、高级本科生及研究生提供一份深入、系统的参考资料。 详细章节介绍 第一部分：地球物理流体的基础与理论框架 (The Foundations of Geophysical Fluids and Theoretical Frameworks) 第一章：地球流体的基本守恒定律与宏观描述 本章首先回顾了流体力学的基本概念，包括连续性方程、动量方程（纳维-斯托克斯方程在地球上的应用），并引入了科里奥利力和惯性力的重要性。重点阐述了地转平衡、梯度风平衡在宏观大气和海洋运动中的物理意义。讨论了理想流体与粘性流体的差异，并为后续章节的非线性动力学分析奠定理论基础。本章强调了俯瞰尺度运动的近似简化及其适用条件。 第二章：热力学基础与地球系统中的能量平衡 深入探讨了水汽、气溶胶与辐射传输在地球系统中的热力学过程。详细分析了等压面上的势能、熵的分布及其在对流和层结形成中的作用。对海洋中的热力学过程，特别是盐度和温度对密度的影响（状态方程）进行了详尽的阐述，并引出了布辛涅斯克数在浮力驱动流动分析中的地位。 第三章：线性波理论及其在地球系统中的应用 本章聚焦于地球物理流体中常见的波动现象。系统介绍了声波、重力波（内部重力波和表面重力波）的色散关系和传播特性。尤其侧重于开尔文波、陀螺惯性波和开尔文波在赤道动力学中的重要性。探讨了这些波如何在能量和动量在不同尺度和不同介质（海洋与大气）之间进行有效传递。 第四章：涡度、环流与大气-海洋边界层动力学 涡度方程是分析地球流体运动的核心工具之一。本章详细分析了绝对涡度、相对涡度及涡度守恒的条件。重点讨论了大气与海洋交界面——即边界层——的物理过程。包括风应力、感热通量和潜热通量的参数化方法，以及湍流混合在动量和热量传递中的关键作用。 第二部分：海洋环流的驱动机制与结构 (Oceanic Circulation Drivers and Structures) 第五章：大尺度海洋环流：风驱动与热盐驱动 本章系统剖析了驱动全球海洋环流的两种主要机制。风驱动环流部分，详细解析了埃克曼输运、斯托克斯流、西边界流（如湾流、黑潮）的形成及其与科里奥利力的关系，并回顾了Sverdrup平衡在西边界流强度决定中的作用。热盐驱动部分，聚焦于深水形成的驱动力、温盐环流（Thermohaline Circulation）的全球尺度结构及其对碳循环的调控作用。 第六章：中尺度海洋涡旋与混合 探讨了海洋中尺度过程（尺度通常在几十至几百公里）的动力学特征。分析了中尺度涡旋的生成、演化和能量耗散机制。着重讨论了这些涡旋在海洋内部能量和物质再分配，以及其对次中尺度混合过程的贡献。 第七章：海洋中的内部波与潮汐动力学 本章专门处理海洋中的非地形性波动。内部波的产生机制、垂直结构和能量携带能力是重点。此外，详细阐述了月球和太阳引力引起的海洋潮汐现象，包括拉格朗日潮理论与福氏常数在不同海盆中的应用。 第三部分：大气环流的结构与演变 (Atmospheric Circulation Structures and Evolution) 第八章：大气环流的全球尺度结构 本章转向大气动力学。全面介绍三圈环流（哈德里环流、费雷尔环流、极地环流）的结构、能量来源及维持机制。深入分析了地转适应过程、Hadley 环流的边界和分层结构。 第九章：中纬度大气动力学：斜压不稳定性与天气系统 重点分析了驱动中纬度天气系统（如气旋和反气旋）发展的中尺度和天气尺度的动力学。详细讲解了斜压不稳定性理论，解释了中纬度锋面和气旋的形成、发展与衰亡。引入了位涡（Potential Vorticity）的概念在分析大气遥相关和突发事件中的应用。 第十章：大气中的平流层动力学与准定常波 超越对流层，本章关注平流层的动力学，特别是平流层极涡的结构、季节性变化及其与对流层系统的耦合。深入分析了重力波和罗斯比波等准定常波在平流层中的传播、反射和能量耗散如何影响地表天气。 第四部分：大气与海洋的耦合作用 (Coupling Dynamics of Atmosphere and Ocean) 第十一章：气海相互作用的边界层过程与反馈机制 本章是将前两部分内容整合的关键。详述了海洋表层温度（SST）如何调制大气环流，以及风场如何驱动海表变化。重点分析了耦合过程中的反馈机制，如SST异常对大气对流和降水的影响，以及风应力散度对海洋上层混合层的调制。 第十二章：ENSO与遥相关：海气耦合模态的模拟与预测 深入剖析了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）这一最主要的太平洋海气耦合模态的动力学机制，包括热带太平洋的温跃层、Walker 环流的响应，以及El Niño的形成和传播过程。此外，讨论了IOD、PDO等其他遥相关模态，并概述了耦合环流模型（CGCMs）在模拟和预测这些低频变率中的挑战与进展。 第十三章：气候变化背景下的海气耦合系统响应 最后，本章将理论模型与实际观测相结合，探讨在全球变暖背景下，海洋热容量和冰雪覆盖变化对大气环流（如极地涡旋变化、季风强度）的长期影响。讨论了海洋吸收热量和碳对气候敏感性的调节作用，并展望了未来耦合系统研究的前沿方向。 适用对象 本书适用于对地球物理流体力学有一定基础的高年级本科生、研究生，以及从事海洋学、气象学、气候学和环境科学领域的科研人员和工程师。阅读本书需要具备微积分、线性代数和经典力学的基础知识。 写作风格与特色 本书的叙述风格力求严谨、精确，注重从基本物理原理出发，逐步推导出复杂的动力学方程和结论。在介绍复杂概念时，穿插大量的实例和图示（尽管此处无法显示），以增强读者的直观理解。在关键的理论推导后，会引入真实的观测案例或模型模拟结果进行印证，确保理论与实践的紧密结合。本书旨在培养读者独立建立和分析地球物理流体模型的思维能力。
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