Atmospheric Dynamics

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出版者:
作者:Mak, Mankin
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2012-6
价格:$ 130.52
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isbn号码:9780511762031
丛书系列:
图书标签:
  • 大气科学
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  • 气象学
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具体描述

好的,这是一份关于一本名为《地球物理流体力学导论》的图书简介,严格遵循您的要求,不提及《Atmospheric Dynamics》,内容详实,力求自然流畅。 --- 地球物理流体力学导论 一、本书概述与核心理念 《地球物理流体力学导论》是一部深入探讨宏观尺度流体运动基本原理及其在行星尺度地球系统(包括大气、海洋、乃至行星内部流体)中应用的专著。本书的核心目标在于构建一个坚实的理论框架,使读者能够从连续介质力学的基础出发,逐步过渡到受行星尺度约束下的复杂流体动力学问题。 我们深知,要理解地球系统的动态过程——从驱动气候变化的大尺度环流到潮汐的形成机制——必须掌握流体力学在非惯性参考系(即地球自转参考系)下的特殊表现。因此,本书不仅侧重于数学模型的推导与求解,更强调物理直觉的培养,确保理论分析与观测现象紧密结合。 本书内容涵盖了从经典的粘性流体运动方程到考虑科里奥利力、压力梯度力及地球曲率效应的地球物理流体方程组的建立。我们力求在保持数学严谨性的同时,用清晰的语言阐释每一步推导背后的物理意义,避免将复杂的物理现象简化为纯粹的数学游戏。 二、主要内容模块深度解析 本书的结构设计遵循从基础到前沿、从一维到三维的递进逻辑,共分为六大部分。 第一部分:连续介质力学基础与惯性系下的流体动力学 本部分是理解后续地球物理流体运动的基石。我们首先回顾了流体的基本概念,包括物质点、运动学描述(拉格朗日和欧拉描述)的转换关系。 连续介质假设与运动学: 详细讨论了速度梯度张量($ abla mathbf{u}$)的分解,特别是其中的旋转部分(涡度 $oldsymbol{omega} = abla imes mathbf{u}$)和变形部分(应变率张量)。这是理解流体局部旋转和拉伸的关键。 运动方程的建立: 导出纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程,并探讨了牛顿流体与非牛顿流体的本构关系。重点分析了压力梯度力和粘性应力项在动量方程中的具体形式。 基本流型: 分析了无粘性流体(欧拉方程)、等熵流体以及不可压缩流体的经典解,例如伯努利原理的普适性。 第二部分:非惯性参考系与科里奥利效应的引入 地球的自转是地球物理流体运动最显著的特征之一。本部分专门处理从惯性系到地球固连参考系的坐标变换,并引入了关键的“虚拟力”。 坐标变换: 严谨推导了从惯性系到旋转参考系下加速度的转换公式,明确了科里奥利力(Coriolis force)和离心力的来源。 地球物理流体动力学方程组(GFL): 基于旋转参考系,完整地写出了考虑科里奥利项的动量方程和质量守恒方程。特别强调了科里奥利力与流速的垂直关系,这是理解地转平衡的物理基础。 地转平衡(Geostrophic Balance): 在充分考虑了压力梯度力和科里奥利力相互平衡的条件下,推导了著名的地转速度公式。讨论了该平衡在梯度风(Gradient Wind)中的修正,这在分析天气系统和海洋中尺度涡流中至关重要。 第三部分:密度浮力、浮力驱动流与静力平衡 地球流体系统普遍存在密度分层,这引入了浮力驱动的运动。 浮力与布伊辛涅斯克近似: 详细阐述了由于热力学非均匀性导致的密度差异,及其在重力作用下产生的浮力项。在不可压缩流体假设下,引入了布伊辛涅斯克近似(Boussinesq Approximation),简化了方程。 垂直运动与静力平衡: 深入分析了垂直方向的受力平衡。在深厚流体层中,垂直压力梯度主要由重力、浮力和向心力平衡,导出了静力平衡方程。该方程是理解大气和海洋垂直结构的基石。 密度波与内部重力波: 分析了在稳定分层流体中传播的内部重力波的色散关系和传播特性。讨论了这些波在垂直动量传输中的作用。 第四部分:尺度分析、无量纲参数与旋转流的经典模型 为了从复杂的偏微分方程中提取主要物理过程,尺度分析是不可或缺的工具。 无量纲化: 介绍了如何通过特征尺度对变量进行无量纲化,从而识别出控制流体运动的关键无量纲参数,例如罗斯比数(Rossby number, Ro)、埃克曼数(Ekman number, Ek)和弗劳德数(Froude number, Fr)。 罗斯比数与惯性作用: 探讨了罗斯比数在判断惯性力与科里奥利力相对重要性的作用。在小罗斯比数情况下(大尺度运动),地转平衡占据主导。 埃克曼理论: 详细推导了边界层内粘性效应与科里奥利力耦合的结果——埃克曼螺旋。特别是求解了无限深半无界流体中的经典埃克曼层解,并应用于海洋表层混合层的分析。 第五部分:旋转流体中的波动、环流与热力学效应 本部分聚焦于地球系统特有的、受旋转和浮力共同影响的动力学现象。 涡旋动力学基础: 引入了斜率位涡(Potential Vorticity, PV)的概念。这是旋转流体力学中最重要的守恒量之一,它将流体的三维运动(水平速度、垂直速度、密度/压力)统一在一个标量场中。 伯格纽斯旋转(Taylor-Column Theory): 讨论了在强科里奥利力作用下,物体在垂直于旋转轴方向上运动受到的高度约束。 热力驱动环流: 分析了由非均匀加热或冷却引起的密度驱动环流,例如热力风关系(Thermal Wind Relation),它将水平温度梯度与垂直速度梯度联系起来,是理解大气和海洋热力环流(如Hadley环流)的必备工具。 第六部分:行星尺度背景下的非线性问题与稳定性分析 最后,本书将理论推广到非线性方程的范畴,并探讨了流体运动的稳定性问题。 非线性效应: 讨论了对流项的非线性相互作用,包括斜压不稳定性(Baroclinic Instability)——大气和海洋中风暴和涡旋产生的根本机制。 简化的非线性模型: 引入了浅水波方程和二维势涡度方程,这些模型是研究行星波和涡旋相互作用的有力工具。 稳定性理论基础: 介绍了对流和剪切流的稳定性和不稳定性判据,特别是费尔维瑟(Fjørtoft)定理及其在地球物理流体中的应用。 三、本书特色与教学优势 1. 深度与广度的平衡: 本书在严谨的数学推导与直观的物理图像之间找到了最佳平衡点,确保了读者不仅“知道怎么算”,更“明白为什么”。 2. 地球物理焦点: 所有的理论推导均围绕行星尺度的物理问题展开,为后续深入学习气候学、海洋环流或行星科学提供了无缝衔接的知识基础。 3. 丰富的插图与案例: 包含大量示意图,用以阐明复杂的矢量关系和三维运动模式。书中穿插了对实际观测现象(如信风带、西风急流、中尺度涡)的经典理论解释。 四、目标读者群体 本书适用于高等院校(本科高年级及研究生)中学习流体力学、地球物理学、大气科学、海洋学及相关工程领域的学生和研究人员。对于希望夯实非惯性系下流体动力学基础的科研工作者,本书也是一本优秀的参考手册。 ---

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读后感

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当我翻开“Atmospheric Dynamics” 的时候,我并没有期待它能让我成为一名气象学家,我只是一个充满好奇心的普通读者。然而,这本书的深度和广度,远远超出了我的想象。它不仅仅是对大气运动的描述,更是对我们赖以生存的地球系统的一次全面而深刻的剖析。书中关于“大气边界层”的讲解,让我明白了我们日常接触到的风和天气,是如何受到地面影响的。我之前一直以为大气是均匀的,但这本书让我看到了在近地面,存在着一个充满复杂相互作用的“边界层”,它塑造了我们每天所经历的天气。我特别欣赏书中对“湍流”现象的描述,这种看似混乱的运动,却是大气能量和动量输送的关键。读到这里,我才真正理解了为什么天气变化总是如此难以预测,因为其中充满了如此复杂的“无序”中的“有序”。

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“Atmospheric Dynamics” 这本书,让我对“涡旋”这种大气现象,产生了浓厚的兴趣。我一直对台风、龙卷风等强大的涡旋现象感到好奇,但总是觉得它们是神秘而不可预测的。这本书,用科学的语言,为我揭示了涡旋形成的机制。书中对“势涡守恒”原理的解释,让我理解了为什么当大气团发生形变时,它的旋转速度会发生变化。这种抽象的物理原理,在书中得到了非常生动的阐述,让我能够理解那些看似不可思议的现象。我特别喜欢书中对“气旋”和“反气旋”的区分,以及它们是如何导致不同的天气状况的。读到这里,我才真正明白,为什么我们平时说的“低压”、“高压”,与这些涡旋现象有着直接的联系。

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“Atmospheric Dynamics” 这本书,让我对“风”这个看似平常的自然现象,有了全新的认识。我以前总觉得风就是空气在流动,但这本书让我明白,风的形成和运动,是大气动力学中最基本也是最核心的体现。书中对“压力梯度力”和“科里奥利力”的解释,让我理解了风不仅仅是直线吹拂,而是受到地球自转的影响而产生偏转。我特别喜欢书中用“运动的陀螺”来类比解释科里奥利力,这种直观的形象比喻,让我一下子就抓住了核心。而且,书中还详细地讲解了不同尺度上的风的形成,从海陆风、山谷风这样的小尺度现象,到行星尺度上的季风和信风。我最受启发的是关于“摩擦力”在大气运动中的作用。我以前一直以为摩擦力只是阻碍运动,但这本书让我看到,摩擦力在塑造风的分布和方向上,也起着至关重要的作用,尤其是在近地面的空气流动中。读到这里,我才真正理解了为什么在不同的地形和环境下,风的形态和强度会有如此大的差异。

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我一直认为,要真正理解一个科学领域,必须从它的历史演进和关键人物入手。“Atmospheric Dynamics” 在这一点上做得非常到位。它并非孤立地介绍理论,而是追溯了大气动力学发展的脉络,从古代对风的朴素观察,到近代科学家的艰辛探索。书中花了相当大的篇幅,去介绍那些为大气动力学做出杰出贡献的科学家们,他们的故事,他们的思想,他们的那些“灵光一闪”的时刻。读到那些关于布丰、哈德利、费雷尔等人的轶事,我仿佛穿越时空,与他们一同站在科学探索的前沿。作者在讲述他们的理论时,并没有生硬地罗列他们的发现,而是将他们的理论放在当时的科学背景下进行解读,让我们理解为什么在那个时代,他们的思想会如此具有革命性。这种历史叙事的方式,极大地增强了阅读的趣味性,也让我对这些伟大的科学家们产生了深深的敬意。更重要的是,这种方式让我明白,科学的发展并非一蹴而就,而是无数次尝试、错误和突破的积累。我尤其欣赏作者对一些经典理论的梳理,例如哈德利环流的提出,是如何解释赤道地区为什么高温多雨,副热带高压带为什么常年存在。通过对这些理论的深入理解,我才真正体会到大气动力学是如何构建起一个完整的理论体系的。这本书不仅仅是知识的传授,更是一种科学精神的传递。它让我明白,科学的魅力不仅仅在于结论,更在于探索的过程,在于那些永不停止的追问。

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“Atmospheric Dynamics” 这本书,说实话,在我拿到它之前,我对“大气动力学”这个领域只是有一些模糊的认知,知道它跟天气变化、风的形成有关,但具体到科学原理,我一直觉得离我有点遥远。我是一名对自然现象充满好奇的普通读者,平时喜欢阅读一些科普读物,但很多关于物理、数学的学科,总让我望而却步。这本书的封面设计就给我一种沉稳而又充满智慧的感觉,厚实的纸张和精美的排版,一开始就营造出一种严谨的学习氛围。我翻开第一页,作者用一种非常引人入胜的方式,将我们带入了地球大气的浩瀚世界,从最基础的概念讲起,比如空气的组成,压强和温度的关系,以及为什么会有风。我最喜欢的是书中对一些宏观现象的解释,比如季风的形成,台风的旋转,这些曾经让我觉得神秘莫测的自然现象,在作者的循序渐进的讲解下,逐渐变得清晰起来。书中没有一开始就抛出大量的公式和复杂的数学模型,而是用类比、生活中的例子,甚至是形象的比喻,来帮助我们理解那些抽象的概念。比如,当讲解到科里奥利力的时候,作者用了旋转木马的例子,让我一下子就明白了为什么在北半球,物体在旋转的地球上会向右偏转。这种化繁为简的功力,真的非常厉害。而且,书中的插图和图表也做得非常出色,它们不仅仅是简单的装饰,而是真正帮助理解内容的辅助工具。我尤其喜欢那些展示大气环流的剖面图,能够清晰地看到不同高度的空气流动方向和温度分布。即使是对物理不是特别擅长的读者,也能从中获得很多启发。我发现,这本书不仅仅是关于“动力学”的理论,更是对我们赖以生存的地球大气系统的一次深刻的剖析。它让我重新审视了每一次呼吸,每一次风吹草动背后的科学原理。

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说实话,我对“Atmospheric Dynamics” 这本书的期望很高,因为我对天气变化一直非常感兴趣,但又苦于找不到一本能够真正让我深入理解的书。这本书,无疑是超出了我的预期。它不仅仅是一本关于科学理论的书,更是一本充满人文关怀的书。作者在讲解那些复杂的物理公式和模型时,始终没有忘记它们所服务的对象——我们赖以生存的地球。书中对“天气预报”的原理的解释,让我豁然开朗。我一直以为天气预报是基于一些经验的猜测,但这本书让我明白,它背后有着严谨的科学计算和模型。书中对“初始条件”的敏感性,以及“蝴蝶效应”的阐述,让我对天气预报的局限性有了更深刻的理解。这不仅仅是科学上的解释,更是一种哲学上的思考。它让我明白,即使是最精密的科学,也无法完全预测未来,因为自然本身就充满了不确定性。我非常欣赏书中对“数值天气预报”的介绍,它让我看到了人类是如何运用强大的计算能力来模拟大气的运动。读到这里,我才真正体会到科学的进步是如何为我们的生活带来便利和安全的。

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“Atmospheric Dynamics” 这本书,让我对“天气系统”的形成和演变,有了前所未有的认知。我之前对天气系统的理解,大多停留在“冷锋”、“暖锋”这样的基本概念,但这本书让我看到了,这些锋面是如何在大气动力学的驱动下形成的,以及它们是如何影响着更大范围的天气变化。书中对“中尺度天气系统”的详细介绍,比如飑线、对流云团的形成,让我看到了在不同尺度上,大气是如何发生着剧烈而又充满规律的运动。我特别被书中对“不稳定能量”的描述所吸引。我才明白,那些看似平静的天气背后,可能蕴藏着巨大的能量,一旦被触发,就会产生强大的天气现象。读到这里,我才真正理解了,为什么有时候天气变化如此迅速而剧烈,因为那是大气系统在不断地积蓄和释放能量的过程。

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这本书,让我对“大气环流”这个概念,有了更深刻的认识。我以前以为大气环流只是简单地在地球上绕圈子,但“Atmospheric Dynamics” 让我明白,它是一个极其复杂且动态的系统,涉及到全球范围内的热量和动量的输送。书中对“三圈环流”的详细介绍,让我理解了为什么赤道地区会高温多雨,副热带地区会干燥少雨,以及中纬度地区的天气变化如此复杂。我特别欣赏书中对“信风”、“西风”和“极地东风”的解释,以及它们是如何影响着全球气候带的形成的。而且,书中还详细讲解了“高空急流”的形成和作用。我之前只知道有风,但不知道原来在大气的高层,存在着如此强大的“高速公路”。读到这里,我才真正体会到,那些影响我们天气变化的“大系统”,是如何在看不见的空中运作的。

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老实说,我一开始拿到“Atmospheric Dynamics” 的时候,最担心的是它会是一本晦涩难懂的学术专著。作为一名对气象学充满兴趣但又缺乏专业背景的读者,我常常在面对那些充斥着专业术语和复杂公式的书籍时感到力不从心。然而,这本书完全打消了我的顾虑。作者在讲解的过程中,巧妙地运用了大量的类比和生动形象的例子,将那些看似枯燥的物理过程变得鲜活有趣。例如,当他解释大气压力梯度力和地转偏向力如何共同作用形成风的时候,他并没有直接给出方程,而是用一个想象中的“小球”在旋转的唱片上运动来类比,让我瞬间就理解了科里奥利力的作用。这种“润物细无声”的讲解方式,让我感觉自己不是在被动地接受知识,而是在主动地探索和发现。书中对一些关键概念的引入,都处理得非常自然,仿佛它们本就应该如此。我尤其喜欢书中对“涡度”和“散度”这两个概念的解释,它们是大气动力学中非常重要的概念,但往往很难理解。作者通过描述水流中的漩涡和扩散现象,以及将这些现象与大气中的旋转和扩张联系起来,让我对这两个概念有了全新的认识。这种由浅入深,层层递进的讲解策略,让我能够稳步地吸收和理解书中的内容,丝毫不会感到压力。

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“Atmospheric Dynamics” 这本书,让我对我们日常生活中最熟悉不过的“天气”产生了前所未有的敬畏感。我一直以为天气只是太阳照射、云朵飘动这么简单,但读了这本书之后,我才明白,每一次阳光的洒落,每一次风的拂过,背后都隐藏着复杂而精妙的大气动力学过程。书中详细地解释了为什么会有高压和低压系统,它们是如何驱动空气的流动,以及这些流动的能量是如何转化和传递的。我特别被书中关于“能量守恒”在大气系统中的体现所吸引。它不仅仅是简单的温度变化,而是涉及到位能、动能、热能等等多种形式的能量转换。我之前对“能量”的理解大多局限于物理课本中的机械能和电能,这本书让我看到了能量在宏观尺度上,在如此庞大和复杂的系统中,是如何运作和平衡的。我非常喜欢书中对“大气能量输送”的描述,比如从热带向极地的热量输送,以及这种输送对全球气候的影响。读到这里,我才真正理解了为什么地球南北方的气候差异如此之大,以及洋流和风在其中扮演的角色。这本书让我看到了一个动态的、充满活力的地球大气系统,它不是静止不变的,而是时刻都在发生着剧烈的变化。

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