大气波谱分析及其不稳定性

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页数:238
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出版时间:2010-1
价格:40.00元
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isbn号码:9787502949167
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  • 气象
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  • 波谱分析
  • 大气不稳定
  • 大气动力学
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  • 大气物理
  • 边界层大气
  • 湍流
  • 大气辐射
  • 气象学
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具体描述

《大气波谱分析及其不稳定性(第3卷):热带气旋中的扰动》利用作者的正压无辐散模型、两层正压无辐散模型、正压模型、两层正压模型、准二维斜压模型和非绝热情形下的正压模型以及美国迈阿密大学DavidS.Nolan教授开发的三维斜压模型对热带气旋中的扰动作了理论研究和波谱分析,讨论了基流失稳的条件和不稳定扰动的性质。

大气波谱分析及其不稳定性 本书深入探讨了大气中复杂而迷人的波谱现象及其内在的不稳定性,为读者提供了一个理解我们所处大气环境背后深刻机制的全面视角。本书将从基础概念出发,逐步深入到复杂的理论模型和前沿的研究成果,旨在为气象学、大气物理学、地球科学等相关领域的科研人员、研究生以及对大气科学充满兴趣的读者提供一本不可或缺的参考书。 第一部分:大气波谱分析的基础 在本书的第一部分,我们将建立起理解大气波谱现象的坚实基础。首先,我们会从大气的基本结构和物理性质入手,介绍不同层次大气(如对流层、平流层、中间层等)的温度、压力、密度分布,以及这些因素如何影响波的传播。接着,我们将详细阐述各种基本的大气波动类型,包括: 重力波 (Gravity Waves): 它们是在密度和浮力梯度的作用下产生的大气扰动,是传递能量和动量到高层大气的重要载体。本书将详细介绍重力波的产生机制,如山脉地形、对流层深厚云系、冷锋过境等,并探讨其在垂直方向上的传播路径、衰减机制以及对大气环流的影响。我们将引入傅里叶分析和谱分析等数学工具,用于识别和量化不同尺度的重力波活动。 行星波 (Planetary Waves),也称罗斯比波 (Rossby Waves): 这些长波主要由地球的自转和科里奥利力引起,对中高纬度大气环流起着至关重要的作用。我们将深入解析罗斯比波的动力学特性,包括其传播速度、色散关系以及与大气阻塞等重要天气现象的联系。本书会展示如何利用卫星观测数据和数值模式来识别和追踪这些宏观尺度的波动。 声波 (Acoustic Waves): 虽然在一般大气动力学研究中不那么突出,但声波同样是大气中的一种波动形式,它们能够快速传播,并对能量传递产生一定影响。我们将简要介绍声波在大气中的传播特性以及其在特定情况下的重要性。 切变涡旋 (Shear Vortices) 和其他涡旋类波动: 在具有明显风切变的环境中,会产生不同尺度的涡旋结构,这些结构可以被视为一种特殊的波动形式。本书将探讨这些涡旋的形成、演化及其能量交换过程。 在掌握了这些基本波动类型后,我们将重点介绍大气波谱分析的核心方法。这包括: 傅里叶分析 (Fourier Analysis): 如何将复杂的大气变量(如温度、风场)分解成不同频率(或波数)的正弦和余弦分量,从而揭示其周期性特征。 谱密度函数 (Spectral Density Function): 如何计算和解释不同波数或频率范围内的能量集中度,以识别 dominant waves。 时间-频率分析 (Time-Frequency Analysis) 和小波分析 (Wavelet Analysis): 适用于分析随时间变化的非平稳大气信号,捕捉短时、局地化的波动事件。 统计方法: 如相关分析、互谱分析等,用于研究不同大气变量或不同地点之间波动的关系。 本书将通过大量的实例和图示,展示如何运用这些分析工具来处理实际的大气观测数据(如卫星遥感、探空仪数据、地面气象站数据)以及数值模式输出,从而揭示大气的波谱结构和动力学过程。 第二部分:大气波谱的不稳定性 在理解了大气波谱分析的基础之后,本书的第二部分将聚焦于大气波谱的不稳定性。不稳定性是理解大气如何演化、能量如何传输以及极端天气如何产生的重要概念。我们将从以下几个关键方面展开: 波的能量和动量传输: 大气中的各种波动是能量和动量传输的主要载体。当这些波动传播并与背景流相互作用时,可能会发生能量和动量的交换,导致不稳定性。例如,重力波向上传播并破碎,可以将动量传递到平流层,影响平流层环流;行星波的传播和反射也会带来能量的重新分配。 不稳定性判据: 我们将介绍如何根据波的频率、波数、振幅以及背景大气的状态(如温度梯度、风切变)来判别大气是否存在不稳定性。例如,Kelvin-Helmholtz 不稳定性是由于显著的风切变而产生的一种快速发展的流动不稳定性,它在高层大气和对流层中都扮演着重要角色。 不稳定性产生的具体机制: 切变不稳定性 (Shear Instability): 当大气中存在较大的水平或垂直风切变时,可能发生切变不稳定性,产生水平或垂直的涡旋结构,并伴随能量交换。 浮力不稳定性 (Convective Instability): 在垂直方向上,当空气的温度随高度下降得比绝热递减率更快时,会产生对流不稳定性,导致上升气流和向下沉降气流的形成,这是许多天气现象(如雷暴)的基础。 波破碎 (Wave Breaking): 当波动在传播过程中遇到与其位相相关的环境条件变化时,例如波动振幅随高度增大,或者遇到逆风区,可能会发生波破碎。波破碎是一个能量耗散和动量重新分配的过程,是大气能量垂直传输的关键机制。本书将深入分析不同类型的波破碎及其后果。 共振不稳定性 (Resonant Instability): 当不同类型的波以特定方式相互作用,并且它们的频率和波数满足特定条件时,可能会发生共振,导致能量的快速积累和不稳定性。 不稳定性与大气现象的联系: 湍流 (Turbulence): 不稳定性是产生湍流的主要原因。湍流是大气中能量和物质混合的关键过程,对天气预报和气候模拟有着重要影响。 天气系统的发展: 从行星尺度的大气环流异常到中尺度对流系统的形成,再到局地强对流,许多天气现象的发生和发展都与大气波谱的不稳定性密切相关。 高层大气的过程: 例如,平流层和中间层中的许多现象,如平流层爆发性增温、中间层孤立波(Sporadic E layers)等,都与重力波的不稳定性破碎有着密切的联系。 数值模拟中的不稳定性: 本书也将探讨在数值天气预报和气候模型中如何处理和表现大气波谱的不稳定性,以及模型分辨率和物理过程参数化对模拟结果的影响。 第三部分:前沿研究与应用 在掌握了大气波谱分析和不稳定性理论后,本书的最后一部分将介绍该领域的最新研究进展和实际应用。这包括: 高分辨率观测技术: 如新型卫星遥感技术、雷达探测技术等如何提供更精细的大气波谱信息。 先进的数值模式: 如何通过更精细的网格分辨率和更完善的物理过程描述来捕捉大气中的不稳定性现象。 特定区域或事件的研究: 例如,针对特定地理区域(如极地、热带)或特定天气事件(如强对流、台风)的大气波谱特征和不稳定性分析。 与其他地球科学领域的交叉: 例如,大气波谱和不稳定性如何影响电离层、臭氧层,以及对气候变化研究的意义。 本书旨在为读者提供一个清晰、系统且深入的框架,以理解大气波谱分析及其不稳定性所揭示的大气动力学的精妙之处。通过理论讲解、方法介绍和实例分析,我们希望能够激发读者对这一前沿领域的进一步探索和研究。

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《大气波谱分析及其不稳定性》这本书,彻底改变了我对大气系统动力学的认知框架。我过去学习大气科学,往往侧重于宏观的流体动力学方程和热力学平衡。但这本书,它将我的视野引向了更微观、更精细的“波动”层面。作者在介绍“波谱分析”时,就像是为我打开了一扇全新的研究大门。我之前对“谱”这个概念,更多地是在光学领域接触。而这本书,则将其应用到了大气动力学中,让我理解了如何将复杂的大气运动分解成不同频率和波长的波动成分。我尤其对书中对不同类型大气波的讲解很感兴趣,比如行星波、重力波、声波等,以及它们在大气能量传输和动量输送中的关键作用。理解了这些波动的特性,也就理解了为什么全球尺度的环流模式会如此稳定,为什么局地的扰动又会如此变化多端。更让我着迷的是,“不稳定性”理论在书中的应用。作者详细阐述了各种不稳定性机制,例如斜压不稳定性,是如何驱动大气系统的演变和发展的。我开始意识到,很多看似突如其来的极端天气事件,其实是大气系统在达到某种临界状态时,内部不稳定性被激活的必然结果。书中通过大量的观测数据和数值模拟结果来佐证这些理论,让我深切地感受到这本书的科学严谨性和前沿性。它不仅仅是一本学术论文集,更像是一本“大气科学的侦探小说”,通过解构波动和不稳定性,揭示了天气变化的“幕后真相”。

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读完《大气波谱分析及其不稳定性》,我最大的感受是,原来我们习以为常的天气现象,背后隐藏着如此复杂且充满规律性的“波动艺术”。书中的“不稳定性”理论,更是让我对大气系统的动态演化有了全新的认识。过去我以为大气的不稳定,无非就是气流变得紊乱,容易产生强对流天气。但这本书揭示了,这种不稳定性并非随机的混乱,而是由特定的物理机制驱动的,并且可以通过波动的传播和增长来描述。作者详细阐述了各种不稳定性类型,例如斜压不稳定性,它解释了为什么大尺度天气系统会随着时间演变和发展。我特别喜欢书中关于“增长率”和“波数”的概念,它们就像是为我们提供了一套衡量大气系统“活力”的标尺。通过分析不同波数的扰动是如何相互作用并导致能量的增长,我仿佛看到了一个巨大的、活生生的能量转换机器。书中对切变不稳定性、静力学不稳定性等不同机制的辨析,让我理解了不同条件下大气扰动发展的侧重点。这对于理解诸如锋面发展、低压涡的生成甚至更复杂的喷流波动都至关重要。而且,作者并非仅仅停留在理论层面,而是花了大量篇幅去分析实际观测到的案例,比如那些看似突如其来的强风暴,或是持续数日的阴雨天气,都可以在书中的理论框架下找到合理的解释。这种理论与实践的紧密结合,极大地增强了这本书的实用性和说服力,也让我更加深刻地认识到,大气系统并非简单的线性叠加,而是一个充满非线性动力学过程的复杂集合。

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这本书的内容,可以说是在挑战我对大气运动的固有认知。尤其是“波谱分析”这部分,彻底颠覆了我之前对大气扰动的看法。我一直以为,大气中的扰动就是一些局部的、瞬息万变的气流变化,但这本书告诉我,这些扰动其实有着非常清晰的“波”的特性,并且可以用不同的“波谱”来区分和描述。作者引入了傅里叶分析等数学工具,来将复杂的大气运动分解成一系列不同频率和波长的波。这就像是在音乐领域,将一首复杂的交响乐分解成单个的音符和旋律。通过这种分解,我才真正理解了,原来大气中存在着如此多种类的大气波,它们有的是传播能量的,有的是输送动量的,有的甚至会相互干涉,产生意想不到的效应。我尤其对书中关于行星波、重力波、以及各种尺度上的涡旋波的讲解很感兴趣。理解了这些波的传播特性,对于理解全球尺度的环流模式,如沃克环流、哈德里环流等,有了更深刻的认识。而且,这本书不仅仅是介绍这些波的存在,更重要的是它教会了我如何去分析和理解这些波的“谱”。通过对波谱的分析,我们可以了解大气中哪种尺度的扰动占主导地位,以及这些扰动是如何相互作用,共同塑造着我们所经历的天气气候。书中大量的图示和算例,为我理解这些抽象的概念提供了极大的帮助,让我能够更好地把握理论的精髓。

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我不得不说,《大气波谱分析及其不稳定性》这本书,将我带入了一个前所未有的研究境界。我一直以来都对大气现象背后的物理机制感到好奇,但很多时候,仅仅依靠传统的动力学和热力学方程,难以完全解释那些复杂多变的天气过程。这本书的出现,恰恰填补了这一空白。它通过“波谱分析”这一强大的工具,让我得以窥探大气系统中潜藏的各种“波动模式”。我之前以为的“扰动”,在书中被赋予了清晰的形态和传播路径,例如行星尺度上的罗斯贝波,以及尺度更小的重力波。作者详细讲解了如何通过频谱分析来量化这些波动的强度和频率,以及它们在能量和动量传输中的作用。这就像是在庖丁解牛,将复杂的大气运动分解成一个个清晰的、可分析的“组件”。更让我着迷的是,“不稳定性”这一概念。书中对各种不稳定性类型(如斜压不稳定性、对称不稳定性)的深入剖析,让我理解了大气系统是如何从一个相对平静的状态,演变成剧烈的、能量集中的天气系统。我开始意识到,很多我们看到的极端天气,并非是无缘无故的,而是大气系统内部不稳定性机制被触发的必然结果。书中对这些触发机制的详细阐述,以及如何通过数值模拟来验证这些理论,让我深感这本书的研究深度和前沿性。它不仅仅是一本学术著作,更像是一本“大气运动的解码器”,为我们理解天气变化的“密码”提供了关键线索。

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《大气波谱分析及其不稳定性》这本书,给我带来了非常震撼的学习体验。我过去对大气系统的认知,大多是通过天气图和预报模型获得的,感觉像是隔着一层纱在观察。但这本书,就像是直接剥开了这层纱,让我看到了大气内部那细腻而充满活力的运动机制。关于“不稳定性”的论述,尤其让我印象深刻。我过去以为“不稳定”就是一个笼统的词,意味着“不好预测”或者“容易出事”。但书中将其细化到物理机制层面,比如斜压不稳定性,它解释了为什么温带气旋会从弱小的扰动发展成强大的风暴。我脑海中浮现出之前在新闻中看到的各种强对流天气,比如龙卷风、冰雹,现在我能将其与书中提到的某些不稳定性条件联系起来。作者详细分析了能量在不同尺度扰动之间的转换过程,以及为什么某些扰动会增长,而另一些则会衰减。这种对大气“自我组织”能力的揭示,让我对大气系统的复杂性有了更深的敬畏。书中关于“临界条件”、“增长速率”等概念的引入,就像是为我们提供了一套诊断大气系统是否“健康”或“危险”的工具。而且,作者在讲解这些抽象概念时,并没有回避复杂的数学推导,而是以一种循序渐进的方式,引导读者逐步理解。对于我这样一个对理论物理不是非常精通的读者来说,虽然过程有些挑战,但最终的收获是巨大的。它让我不再仅仅是被动地接受天气预报,而是开始尝试从更深层的物理原理去理解天气变化的逻辑。

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这本《大气波谱分析及其不稳定性》真是让我大开眼界。我之前对大气科学的理解,很大程度上还停留在宏观层面,比如天气预报中常见的冷锋、暖锋,或是台风的形成机制。但这本书,它就像给我打开了一扇新的窗户,让我窥见了大气运作背后那更加精妙、更加深层的物理过程。特别是关于“波谱分析”的部分,我一直觉得“谱”这个字就带着一种神秘感,好像是某种隐藏的语言。而这本书,恰恰是在教我如何解读这种语言。它不仅仅是罗列一堆公式和图表,而是通过深入浅出的讲解,让我理解了不同尺度的大气扰动是如何通过波的形式传播和演化的。我尤其对书中关于重力波和声波在大气中的行为分析印象深刻。过去我只知道声波是用来传递声音的,却从未想过它在大气中竟然有着如此重要的动力学意义,能够携带着能量和动量,对大气环流产生微妙却深远的影响。作者在讲解过程中,非常注重理论与实际的结合,引用了很多观测数据和数值模拟的例子,这让我这个非专业人士也能感受到研究的鲜活性和现实意义。书中的图示也非常清晰,很多复杂的概念通过图形化的方式呈现,大大降低了理解的门槛。虽然有些地方的数学推导确实需要反复琢磨,但整体而言,这本书的写作风格是严谨而不失趣味的,它没有让人感到枯燥乏味,反而激起了我对大气物理学更深层次的好奇心。我甚至开始思考,未来在分析天气现象时,是否可以借用这本书中的方法,从波动的角度去审视,从而获得更具洞察力的理解。

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这本书的阅读体验,可以说是充满了“惊喜”与“挑战”并存的乐趣。我一直以来对大气物理感兴趣,但常常觉得有些概念过于抽象,难以抓住核心。而《大气波谱分析及其不稳定性》这本书,通过将“波谱分析”作为切入点,为理解大气动力学提供了一条非常有效的路径。我之前对“波”的概念,更多地停留在水波、声波等直观的理解层面。这本书则让我意识到,大气中充满了各种各样的“波”,它们以不同的方式传播, carrying 着能量和信息。作者在讲解波谱分析时,非常注重数学工具的应用,例如傅里叶变换等。虽然这些数学推导对我来说具有一定的挑战性,但作者的讲解方式非常清晰,并且辅以大量的图示和实例,让我能够逐步理解其背后的物理意义。我尤其喜欢书中关于不同尺度波动的区分,比如行星波、重力波、声波等,以及它们在大气环流中的作用。当我阅读到关于“不稳定性”的章节时,我仿佛看到了大气系统内部的“暗流涌动”。书中所阐述的各种不稳定性机制,例如斜压不稳定性,能够清晰地解释温带气旋是如何从一个微小的扰动发展成为影响大范围天气的强大系统。这让我对天气变化的“演进过程”有了更深的理解,不再仅仅停留在“结果”的描述上,而是能够追溯其“根源”。

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这本书的价值,在于它提供了一种全新的视角来审视大气。我之前学习大气科学,往往是从流体力学、热力学等基础物理原理出发,构建一个宏观的模型。而《大气波谱分析及其不稳定性》则将我的注意力引向了“波动”这个层面。作者深入地探讨了大气中各种尺度、各种类型的波动,以及它们如何相互作用,形成复杂的动力学过程。我尤其对书中关于“能量频散”和“波相互作用”的描述着迷。想象一下,大气中的各种波就像是演奏着不同旋律的乐器,它们有的轻柔,有的激昂,而当它们在一起演奏时,就会形成我们所看到的天气变化。书中的“波谱分析”技术,就好比是为我们提供了一副“音乐听诊器”,能够分辨出每种“乐器”的贡献,以及它们之间的和谐或冲突。我开始理解,为什么一些小扰动会迅速发展成大系统,为什么有些区域的天气变化总是比另一些区域更剧烈。这都与能量在不同波尺度之间的传递和反馈有关。书中对不同类型不稳定性(如惯性不稳定性、对称不稳定性)的区分,让我看到了大气内部存在着许多潜在的“能量蓄水池”,在合适的条件下就会释放能量,驱动大气运动。这种对大气内在“动力学”的揭示,让我对天气预报的复杂性有了更深的理解,也对研究人员在预测极端天气事件时所面临的挑战有了更直观的认识。

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《大气波谱分析及其不稳定性》这本书,对我而言,就像是打开了一个全新的科学视野。我一直以来都对大气现象充满了好奇,但总觉得隔着一层窗户纸,难以真正触及到其核心。这本书,以其独特的视角,将“波动”和“不稳定性”作为核心概念,为我理解复杂的大气动力学提供了一个强有力的框架。尤其是在“波谱分析”部分,作者巧妙地运用数学工具,将看似杂乱的大气扰动分解成一系列不同频率和波长的“波”,让我看到了隐藏在混沌之下的秩序。我之前只知道有声波、光波,却从未想过大气本身也充满了各种各样的“波”,如行星波、重力波等,它们以不同的方式传播能量和动量,深刻地影响着全球天气气候。书中对这些不同尺度波动的详细描述,以及它们之间的相互作用,让我对大气系统的复杂性有了更深的认识。而“不稳定性”理论的阐述,更是让我恍然大悟。我终于理解了,为什么一些小小的扰动能够迅速发展成强大的台风或龙卷风。原来,大气系统内部存在着各种“不稳定性机制”,在特定的条件下,这些机制会被触发,导致能量的急剧释放和系统的快速演化。书中对斜压不稳定性、对称不稳定性等具体机制的深入剖析,让我能够更清晰地理解天气变化的“因果链条”。这本书让我不再仅仅是被动地接受天气预报,而是开始尝试从更深层的物理原理去理解天气变化的内在逻辑。

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当我翻开《大气波谱分析及其不稳定性》这本书时,我并没有预料到它会给我带来如此深刻的启发。我之前对大气科学的理解,更多地停留在天气预报中常见的概念,例如高压、低压、锋面等。而这本书,则像一位博学的向导,带领我深入探究大气运动背后那更基础、更本质的物理原理。书中关于“波谱分析”的章节,彻底颠覆了我之前对大气扰动的模糊认识。我一直以为,大气中的扰动只是随机的、混乱的气流运动,但作者通过引入傅里叶变换等数学工具,让我看到了这些扰动背后隐藏的“规律性”和“周期性”。我开始理解,原来大气中存在着各种不同尺度、不同频率的“波”,它们是能量和动量传播的基本载体。我尤其对书中关于行星波、重力波的讨论很感兴趣,理解了它们是如何影响全球尺度的环流模式,以及如何塑造我们所经历的天气。更让我震撼的是,“不稳定性”理论在书中的应用。我之前对于“不稳定”的理解,仅仅停留在“容易产生强对流”的层面。但这本书,则将不稳定性细化到具体的物理机制,例如斜压不稳定性,它能够清晰地解释温带气旋是如何从弱小的扰动发展成影响广泛的天气系统。书中通过大量的图示和案例分析,让我能够将这些抽象的理论概念与实际的大气现象联系起来。这本书让我看到了大气系统并非是静态的,而是一个充满动态演化的、自我组织和重组的复杂生命体。

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