具体描述
The second edition of Environmental Oceanography is the first textbook to link the needs of the coastal oceanographer and the environmental practitioner. The ever-increasing human impact on the environment, and particularly on the coastal zone, has led governments to carefully examine the environmental implications of development proposals. This book provides the background needed to undertake coastal oceanographic investigations and sets them in context by incorporating case studies and sample problems based on the author's experience as an environmental consultant.
《地球物理流体力学：海洋与大气中的运动、热量与物质传输》 图书简介 本书深入剖析了地球系统中最引人入胜且至关重要的领域之一：地球物理流体力学（Geophysical Fluid Dynamics, GFD）。它不仅是一部严谨的学术专著，更是一扇通往理解海洋深层环流、大气风暴形成以及气候系统能量平衡的窗口。本书的结构旨在为读者提供一个从基础原理到复杂应用层层递进的认知框架，特别关注科里奥利力在宏大尺度运动中的决定性作用。 第一部分：流体力学的基本支柱与地球的特殊性 本书的开篇着重于奠定坚实的数学与物理基础。我们从牛顿运动定律在流体介质中的推广——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程组出发，详细阐述了其在连续介质中的形式。随后，重点引入了地球物理学的核心要素：科里奥利力与地转平衡。 我们不仅清晰地推导了科里奥利力的矢量形式及其对水平和垂直运动的影响，还深入探讨了惯性波（Inertial Waves）——在不考虑粘性和压性影响下，仅受科里奥利力约束的流体振荡。读者将理解为何在宏观尺度上，流体运动几乎总是倾向于与等压面平行（地转流），这是解释大尺度海洋环流和风带分布的关键。 此外，本书对密度浮力效应进行了详尽的讨论，特别是在稳定分层流体中，布伊西涅斯克近似（Boussinesq Approximation）的引入及其对浮力驱动流动（如热力环流）建模的意义。我们通过分析垂直波的传播，引出了罗斯比数（Rossby Number）这一核心无量纲参数，它量化了惯性力与科里奥利力之比，是区分天气尺度现象与气候尺度现象的试金石。 第二部分：尺度分析与大尺度环流的动力学 在掌握了基本方程后，本书转向了尺度分析的应用，以揭示自然界中支配不同尺度的物理过程。我们详细剖析了地转风与地转流的物理图像，并将其应用于解释全球大气环流（如哈德里、费雷尔和极地环流）的结构。 海洋部分，本书聚焦于西边界流的形成机理。通过分析斯库洛夫（Sverdrup）平衡和克诺特（Stommel）阻尼机制，读者将深刻理解大洋环流（如墨西哥湾流和黑潮）如何被风场驱动并在行星尺度上聚集在西侧。 一个重要的章节专门讨论了涡旋动力学。从孤立的理想化涡旋（如埃克曼螺旋）出发，逐步过渡到真实大气中的气旋和反气旋。本书结合了位涡（Potential Vorticity）的概念，阐释了位涡守恒在准地转（Quasi-Geostrophic, QG）理论中的核心作用，这是描述中尺度天气系统演化的最有效工具之一。 第三部分：波浪、混合与内部动力学 地球物理流体内部的振荡和传输过程同样重要。本书系统地介绍了重力波——包括大气中的开尔文波、斯内尔波以及海洋中的马特兰波（Kelvin Waves）和惯性重力波。这些波是能量和动量在不同地球层之间传输的主要载体。 尤其引人注目的是内部波的讨论。在密度分层流体中，内部波的激发和传播决定了垂直混合的效率。我们引入了布伊辛涅斯克-霍根（Brunt-Väisälä）频率，并用它来量化稳定层中浮力振荡的频率，解释了内部潮汐波在海山附近如何被激发并耗散能量，这对理解海洋深层热量通量至关重要。 本书的另一重点是湍流与混合。虽然精确模拟湍流极其困难，但本书侧重于宏观效应，如湍流引起的有效粘性（Eddy Viscosity）和有效热扩散（Eddy Diffusivity）。通过对混合系数的探讨，读者能更好地评估动量和热量在海洋混合层和大气边界层中的输运效率。 第四部分：气候尺度的反馈与非线性系统 最后，本书将视角提升到气候系统层面，探讨了非线性效应和长期反馈机制。准线性理论和低阶模型被用来简化复杂的流体方程，以便分析气候变率的本质。我们讨论了ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）等重要海气耦合现象的动力学机制，强调了海洋热含量、风场变化与表层水温反馈环路的作用。 此外，本书探讨了海洋热盐环流（Thermohaline Circulation）的驱动机制，包括深水形成的物理过程以及其对全球热量再分配的长期影响。通过对这些复杂反馈的解析，读者可以建立一个更完整的地球流体运动系统图景，理解为什么地球系统对外部扰动（如温室气体增加）会表现出如此复杂的响应。 目标读者群 本书适合物理学、气象学、海洋科学、地球科学及环境工程等相关专业的高年级本科生、研究生，以及从事地球系统建模和气候研究的科研人员。它要求读者具备微积分、矢量分析和基础偏微分方程的知识储备。通过详尽的数学推导和丰富的物理直觉阐述，本书旨在培养读者运用流体力学原理解决地球科学复杂问题的能力。
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