Integrated Environmental Modeling

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出版者:Wiley
作者:Anu Ramaswami
出品人:
页数:688
译者:
出版时间:2005-04-22
价格:USD 110.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780471359531
丛书系列:
图书标签:
  • 环境模型
  • 综合环境模型
  • 环境科学
  • 生态模型
  • 系统动力学
  • 环境管理
  • 水资源模型
  • 空气质量模型
  • GIS
  • 建模技术
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具体描述

A unified presentation of environmental model development, implementation, and testing

Integrated Environmental Modeling teaches model development, model implementation, and model testing skills in a unified manner, crosscutting the three "media" comprising environmental systems—air, water, and soil—by focusing on parallels and similarities between them, and introducing a new generation of multimedia models. No other single volume offers comprehensive coverage of chemical transport and fate in all three environmental media, including the resulting impacts on the biosphere and human health, with a focus on the fundamental processes underlying environmental modeling.

Integrated Environmental Modeling provides broad-based training in the development of pollutant transport and fate models in air, water, and soil, with a focus on five essential competencies:

Understanding the fundamental process principles that govern contaminant transport and transformations in multimedia environments, emphasizing the parallels and links between different media

Learning model development skills, starting from the simplest conceptual models and building more complex and realistic models that couple component process modules at the appropriate spatial and temporal scales of resolution

Using statistical methods and data sources to estimate input parameters and characterize model sensitivity and uncertainty

Gaining hands-on experience with computer-aided implementation and evaluation of fate and transport models using realistic case study examples

Applying fate and transport models to evaluate pollutant interactions with the biosphere, particularly in human exposure modeling and health risk assessment

Complete with case studies, Integrated Environmental Modeling is a valuable, single-source tool for senior and graduate students in environmental science and engineering courses on pollutant transport, remediation, and risk assessment, and an essential reference text for professionals in industry, consulting, and government agencies responsible for environmental assessment and risk analysis.

跨越学科界限,绘制未来蓝图:整合环境模型的新纪元 在人类活动日益深刻地影响地球系统的今天,理解和预测环境变化的复杂性已成为我们时代最紧迫的挑战之一。从气候变化对生态系统的冲击,到城市化进程对水资源和空气质量的压力,再到生物多样性丧失的全球性危机,这些挑战的根源往往 interconnected,错综复杂。传统的、孤立的环境科学研究方法,虽然在特定领域取得了显著成就,但已难以应对这种系统性的、跨尺度的环境问题。为了更全面、更深入地把握环境系统的运作机制,预测未来趋势,并指导可持续发展战略的制定,一种新的范式应运而生——整合环境建模。 《整合环境建模》并非一本关于特定环境问题的教科书,也不局限于某个单一的建模技术。相反,它是一次思想的探索,一次对整合环境建模这一前沿领域的系统性梳理与深度剖析。这本书旨在揭示为何我们需要整合,如何进行整合,以及整合后的建模如何能够革新我们认识和应对环境挑战的方式。它将带领读者穿越传统学科的壁垒,连接起地质学、气象学、水文学、生态学、社会经济学等多个领域,勾勒出一幅宏大而精密的数字地球图景。 为何需要整合?解锁环境系统的“整体之美” 想象一下,我们试图理解一片森林的健康状况。如果仅仅从树木的生长速率入手,我们可能会忽略降雨模式的变化、土壤养分的流失、病虫害的侵袭,甚至是周边农业活动对空气质量的影响。同样,如果只关注气候模型,我们可能无法准确预测特定区域森林火灾的发生概率,也无法评估其对当地社区生计的影响。环境系统就是这样一个相互依存、相互作用的复杂网络。 整合环境建模的核心理念,正是承认并拥抱这种复杂性。它认为,孤立地研究环境的某个组成部分,就像是在观察一幅巨画的局部,即使局部细节清晰,也无法感知整幅画的意境和主题。整合,正是为了实现“1+1>2”的效果,通过将不同来源、不同尺度的信息和模型融为一体,捕捉到传统方法所忽略的、发生在不同过程之间的联动效应。 这种整合的需求,源于以下几个关键维度: 系统性: 地球是一个高度整合的系统。大气、海洋、陆地、生物圈以及人类社会,无时无刻不在进行着物质、能量和信息的交换。气候变化影响着水循环,水循环又影响着生态系统的分布,而生态系统的变化反过来又会影响碳循环和气候。整合建模致力于模拟这些关键的反馈回路,揭示系统整体的动力学。 跨尺度性: 环境过程存在着巨大的尺度差异。从微观的土壤微生物活动,到区域性的河流流域变化,再到全球性的气候模式,这些尺度各异的过程相互影响。例如,一个地区的降雨变化(区域尺度)可能受到全球气候模式(全球尺度)的影响,而其对当地水土流失(地表过程)的影响又会作用于下游的水质(区域尺度)。整合建模需要能够连接和桥接这些不同尺度的模型。 多过程耦合: 单一的环境过程模型往往假设其他过程是恒定的,但这在现实中是不可能的。例如,一个水文模型可能需要考虑降雨(气象)、蒸发(气象)、植被覆盖(生态)以及土地利用变化(人类活动)等多种因素。整合建模的目标是将这些相互关联的过程耦合起来,进行更加逼真和全面的模拟。 多领域交互: 环境问题从来不是纯粹的科学问题,它们常常与社会、经济、文化等因素紧密交织。例如,一项旨在改善空气质量的政策,可能需要考虑其对工业发展、就业率以及居民生活成本的影响。整合建模需要能够纳入社会经济因素,从而为更具可行性和可持续性的决策提供支持。 如何进行整合?方法论的创新与挑战 整合环境建模的实现并非易事,它涉及到方法论、技术和数据等多个层面的挑战。本书将深入探讨实现整合的各种途径和技术手段,包括: 模型耦合策略: 如何将现有的、各自独立的模型“粘合”在一起?这包括顺序耦合、弱耦合和强耦合等不同的策略。每种策略都有其适用的场景、优缺点以及需要克服的技术难点。例如,强耦合需要模型之间进行频繁的数据交换和计算协同,对计算资源和模型接口的要求极高。 数据融合与同化: 整合建模需要大量、多源、多尺度的环境数据。如何有效地融合来自卫星遥感、地面监测站、模型模拟以及社会调查等不同来源的数据,是实现整合的关键。数据同化技术,例如卡尔曼滤波,能够将观测数据融入模型运行中,不断校正模型的预测结果,提高其准确性。 模型开发与管理: 随着模型数量和复杂性的增加,如何有效地开发、验证、维护和管理这些模型库,成为一项重要的课题。本书将探讨模块化建模、面向对象建模等方法,以及模型库的构建和共享策略。 尺度转换与空间插值: 不同的模型可能在不同的空间和时间尺度上运行。如何有效地进行尺度转换,将一个尺度的模型结果映射到另一个尺度,或者如何通过空间插值等技术,填补数据稀疏区域的空白,是实现跨尺度整合的重要技术。 不确定性分析与传播: 任何模型都存在不确定性,这些不确定性可能来源于输入数据、模型结构或模型参数。在整合模型中,不确定性可能会被放大。本书将重点关注如何量化、传播和管理模型的不确定性,从而提供更稳健的决策支持。 本体论与元数据: 随着模型和数据的激增,建立清晰的本体论(即对事物及其关系的定义和分类)和元数据标准,对于理解、共享和重用模型资源至关重要。这有助于提高模型的互操作性,并促进研究社区的合作。 整合环境建模的应用与未来展望 整合环境建模的价值,最终体现在其强大的应用潜力上。本书将通过一系列的案例分析,展示整合环境建模在解决现实世界环境问题中的作用: 气候变化适应与减缓: 整合气候模型、水文模型、生态模型和经济模型,可以更准确地评估气候变化对不同地区的影响,预测粮食安全、水资源短缺的风险,并设计出兼顾减排目标和经济发展的气候政策。 城市可持续发展: 整合城市模型、交通模型、能源模型、空气质量模型和水环境模型,可以模拟城市扩张对环境的影响,优化城市规划,提高能源利用效率,并改善居民的生活质量。 自然资源管理: 整合水文模型、土壤模型、植被模型和土地利用模型,可以更有效地管理水资源、森林资源和农业资源,预测自然灾害的风险,并制定可持续的土地利用策略。 生物多样性保护: 整合物种分布模型、栖息地模型、生态系统模型以及气候变化模型,可以评估气候变化和土地利用变化对生物多样性的影响,识别生物多样性热点区域,并制定有效的保护措施。 灾害风险评估与管理: 整合气象模型、水文模型、地质模型和城市模型,可以更准确地预测洪水、干旱、滑坡、地震等自然灾害的发生概率和潜在损失,为灾害预警和应急响应提供科学依据。 《整合环境建模》并非止步于对现有技术和应用的总结,它更着眼于未来。本书将探讨整合环境建模在人工智能、大数据、高性能计算等新兴技术浪潮下的发展趋势。例如,机器学习在数据驱动的模型构建和参数优化中的应用;物联网(IoT)提供的海量实时环境监测数据;以及云计算和边缘计算如何支持更大规模、更复杂的模型运行。 总而言之,《整合环境建模》是一本献给所有对理解和塑造我们共同的地球未来抱有深切关注的读者。它是一份路线图,指引我们如何从碎片化的认知走向系统性的洞察,如何从被动的适应走向主动的规划。通过整合,我们不仅能够更深刻地理解环境的复杂性,更能以一种前所未有的力量,绘制出通往可持续发展和人地和谐的未来蓝图。这本书将激发创新思维,促进跨学科合作,为解决全球性环境挑战提供强大的科学支撑。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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我必须指出,这本书的排版和图表运用简直是一场灾难。在一个高度依赖可视化和数据呈现的领域,这本教材却大量依赖大段的文字描述来解释本可以通过一张流程图或一个表格清晰表达的概念。比如,它尝试描述一个典型的三维污染物迁移模型的数据输入流程,结果用去了整整四页的文字,阅读体验极差,而且效率低下。更令人费解的是,书中引用的所谓“经典案例”都显得陈旧而缺乏细节。当我们试图追溯其引用的数据来源或模型参数时,往往会发现标注极其模糊,很多甚至只是一个泛泛的年份或一个不存在的期刊名称。这让人不禁怀疑,作者是否真的在近十年内参与了任何实际的、需要处理真实世界复杂数据的建模项目?对于期望学习前沿计算方法、例如机器学习在污染物源解析中的应用的读者来说,这本书提供的视角几乎停滞在了上个世纪末的水平。它更像是一份作者对“过去如何思考环境问题”的回顾录,而非对“未来如何解决环境挑战”的展望。

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如果说市面上大多数环境建模书籍都在努力将自然科学的严谨性通过数学语言固化下来,那么这本《Integrated Environmental Modeling》则像是反其道而行之。它的叙事风格极其松散,仿佛作者在午后漫步于一个理想化的虚拟流域,随意记录下一些关于水、空气、土壤相互作用的片段。书中充斥着大量类比,例如将生态系统比作复杂的交响乐团,不同组分是不同的乐器,指挥家就是研究者本人。这种比喻在文学创作中或许是锦上添花,但在技术文档中却显得非常突兀和冗余。我尝试在第三章寻找关于沉积物传输的非线性动力学描述,结果只找到了一段关于“物质循环的永恒性”的哲学阐述,然后笔锋一转,跳到了社会经济因素对土地利用变化的影响,两者之间的衔接生硬得像硬拉的胶带。这种跳跃感使得整本书缺乏一个清晰的逻辑主线,读者很难将零散的知识点串联成一个可操作的知识体系。它更像是一本给决策者看的“意向书”,而不是给实践者用的“操作指南”。

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这本号称“环境建模综合”的巨著,我抱着极大的期待翻开,结果发现它更像是一本哲学思辨录,而非我所期望的严谨技术手册。书中大量篇幅聚焦于“系统思维”的必要性,试图用一种近乎诗意的语言来描绘生态系统的复杂性。我理解理论基础的重要性,但当你试图寻找一个具体的数学框架,或者哪怕一个可靠的数值模拟案例时,这本书提供的只是抽象的概念堆砌。它花了大量笔墨探讨“跨学科整合”的理想状态,但在如何实现这种整合的具体技术路径上却语焉不详。比如,它反复强调地表水文模型和大气化学模型之间的耦合,却从未深入介绍任何一种现有主流模型背后的核心方程组,更别提如何处理耦合界面时的时间尺度不一致性问题。读完第一部分,我感觉自己像是刚参加完一场高深的研讨会,脑子里充满了宏大的愿景,但回到实验室,面对实际的数据和代码,却发现自己依然无从下手。它似乎更偏爱对“建模的意义”进行形而上的探讨,而非“如何进行建模”的操作指导。对于一个急需解决具体环境问题,搭建可靠预测模型的工程师或研究生来说,这本书提供的知识密度实在太低,信息噪音太大。

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读这本书的过程中,我反复在寻找它在“集成”二字上的具体体现。作者反复强调多过程、多尺度、多介质的整合是未来的方向,但全书读下来,我看到的“集成”更多的是一种愿景的并列,而非方法的融合。例如,在讨论地下水污染修复时,它介绍了化学衰减模型,紧接着就提到了生物降解的潜力,但两者之间的耦合机制——比如如何将水动力学参数反馈给反应动力学计算——完全被忽略了。这就像是提供了两种不同的工具,却忘了教读者如何将它们装在同一个机架上使用。这种“选择性深入”是这本书最大的结构性缺陷。它似乎害怕陷入任何一个具体领域的数学泥潭,因此在所有关键的、需要计算支持的环节都浅尝辄止。结果就是,它成功地描绘了一幅宏大的、包罗万象的环境系统图景,但这张图景是悬浮在半空中的,缺乏支撑其稳固性的数学骨架。对于追求精确性和可复现性的科研工作者而言,这种“面面俱到却无一精深”的特点令人非常沮丧。

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坦率地说,这本书的价值更偏向于对环境科学研究者进行“思想启蒙”,而非提供一套实用的工具箱。它的语言风格非常注重培养读者的批判性思维,鼓励质疑现有模型的局限性,这一点值得肯定。书中不乏一些对传统线性假设和定常态分析的深刻反思,这对于初入此领域、容易被教科书上的简化模型所迷惑的年轻人来说,无疑是一剂清醒剂。然而,批判的提出如果不伴随建设性的替代方案,其效用就会大打折扣。我希望看到的是,在批判了现有模型的不足之后,作者能拿出至少一个自己构建的、能够有效克服这些局限性的新框架或新算法。但遗憾的是,本书在提供批判后,通常就戛然而止,留给读者的是一片广阔但空旷的思考空间。总的来说,它更适合作为哲学讨论的引子,而非环境建模实战的必备参考书。它提供了“为什么”的思考,却吝啬于给出“如何做”的具体指导。

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Dear Dr. Kalman, this is not a good book with so many flaws on graphs, but you are a good teacher. Thank you.

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