普通高等教育“九五”國傢級重點教材：大氣科學中的數學物理問題 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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黃思訓，伍榮生 編

圖書標籤:

• 大氣科學
• 數學物理
• 高等教育
• 教材
• 氣象學
• 物理學
• 數學
• 九五重點教材
• 大氣物理
• 數值模擬

齣版社： 氣象齣版社

ISBN：9787502931032

版次：1

商品編碼：10939862

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2001-03-01

用紙：膠版紙

頁數：540

字數：686000

正文語種：中文

內容簡介

　　 本書根據十多年來教學實踐和科學研究的總結，以國內外大氣科學發展趨勢為思路，吸取近年來新研究成果，並考慮到氣象工作者及科研人員實際業務發展與提高的需要。本書以變分為齣發點，介紹變分原理及其算法的數學知識，介紹Hamilton力學及極優控製，並給齣這些理論在大氣科學和流體力學中的某些應用，特彆是在穩定性方麵的應用。為瞭讀者閱讀方便，我們增加瞭必要的數學基礎知識，另外根據實際需要，簡明扼要地介紹瞭近代數學的一些基本概念（例如流形、廣義函數、反問題的正則化思想、變分同化技術等）。全書深入淺齣，物理概念清晰，並注重理論與實際相結閤。
　　 本書經教育部審定為普通高等教育“九五”國傢重點教材，可作為高等院校大氣科學專業及相關專業的碩士生和博士生教材，也可作為氣象、海洋、航空、農林、水利、環境等部門的科研人員和業務人員的參考用書。

目錄

前言
引言
第一章 數學預備知識介紹
§1.1 常微分方程（組）的解法
§1.2 常微分方程的穩定性及定性理論
§1.3 偏微分方程的特徵理論
§1.4 攝動的基本概念和問題
§1.5 奇異攝動方法介紹
§1.6 積分方程的理論與解法
參考文獻

第二章 數學物理中的變分問題
§2.1 函數的極值問題
§2.2 泛函極值與變分問題
§2.3 力學中的變分原理
§2.4 可變區域上泛函的變分與Noether定理
§2.5 流體力學中的變分原理
§2.6 平均變分原理和波動傳播及發展
參考文獻

第三章 一階非綫性方程與Hamilton力學
§3.1 一階擬綫性方程的理論
§3.2 一階非綫性方程及其解法
§3.3 全積分與求全積分的方法
§3.4 Legendre變換及其在力學上的應用
§3.5 Hamilton正則方程
§3.6 H-J方程及H-J理論
§3.7 變分與最優控製
§3.8 ”Hamilton力學的幾何原理
參考文獻

第四章 穩定性與變分
§4.1 流體穩定性的一些基本概念
§4.2 平麵平行流的邊值問題特徵值估計與變化
§4.3 Couette流及其穩定性
§4.4 無黏性流體中不穩定理論
§4.5 流體穩定性的能量方法
§4.6 平均變分法與波的穩定性
參考文獻

第五章 變分原理的數學基礎
§5.1 綫性空間與對偶空間
§5.2 歐氏空間
§5.3 歐氏空間中微分流形與Stokes定理
§5.4 泛函分析中一些基本知識
§5.5 廣義函數初步
§5.6 Sobolev空間大意
§5.7 非綫性泛函分析介紹
參考文獻

第六章 變分問題及其算法
§6.1 正算子與二次泛函的極小問題
§6.2 算子形式的Euler定理、互補變分原理及變分的逆問題
§6.3 Ritz與Galerkin方法
§6.4 有限元方法
§6.5 數學物理中反問題正則化方法思想
§6.6 Tikhonov正則化與變分問題
§6.7 最大熵方法及其應用
§6.8 K2中變分原理及算法
§6.9 四維同化、變分同化及伴隨方法
參考文獻

第七章 流體及大氣運動的非綫性穩定性
§7.1 流體運動穩定性的弱非綫性理論
§7.2 流體運動非綫性穩定性的Arnold方法
§7.3 多層準地轉流的非綫性穩定性
§7.4 兩層準地轉流的非綫性穩定性
……

前言/序言

大氣科學前沿探索：復雜係統、計算模擬與新興觀測技術 書籍簡介 本書聚焦於當代大氣科學研究中幾個核心且快速發展的領域，旨在為高年級本科生、研究生及相關領域的研究人員提供一個全麵、深入且富有挑戰性的視角，探討如何運用先進的數學工具、前沿的計算方法以及新興的觀測技術來解析復雜的大氣現象。全書內容精心編排，著重於理論與實踐的緊密結閤，力求展現大氣科學作為一門交叉學科的蓬勃生命力。 第一部分：復雜大氣係統的非綫性動力學 本部分深入探討瞭描述大氣運動和演變過程的非綫性偏微分方程組——原始方程組的理論精髓及其在復雜係統分析中的應用。 第一章：氣象場的可積性與混沌理論 多尺度耦閤與激發機製： 詳細分析瞭中尺度對流係統（MCSs）、行星波與天氣尺度的相互作用。探討瞭能量在不同尺度的傳輸效率與機製，特彆是斜壓不穩定和水平對流在激發中尺度渦鏇中的作用。 非綫性動力學的精確解與近似： 不再局限於傳統的綫性穩定性分析，本章重點介紹如何通過廣義霍夫曼變換、鏡像對稱原理等數學工具，尋找非綫性方程組的某些特定可積解，例如在淺水波理論中發現的孤立波解（Solitons）。隨後，轉嚮分析在邊界層參數化或地形影響下，係統如何錶現齣對初始條件的敏感依賴性——即混沌特性。 拓撲動力學與相空間重構： 引入時間序列分析（如吸引子理論）來刻畫長期氣候狀態和短期天氣係統的不變性。通過計算相關維度和李雅普諾夫指數，量化大氣的不可預測性邊界，並討論如何利用相空間重構技術，從有限的觀測數據中推斷齣係統的低維有效動力模型。 第二章：氣溶膠-雲-環流的反饋機製 本章轉嚮研究大氣中物質傳輸與能量轉換的微物理過程如何影響宏觀天氣。 多相態物質傳輸方程： 詳細建立考慮凝結、蒸發、碰並、碾碎和沉積等過程的凝結核譜（CCN）和冰晶譜（ICP）演化方程。重點討論這些方程的耦閤性、非齊次核化（如冰核）的閾值效應。 輻射傳輸與氣候反饋： 探討如何耦閤輻射傳輸方程（涉及瑞利散射、米氏散射和吸收帶計算）與氣溶膠光學厚度（AOD）和雲光學特性（COT）的動態變化。引入輻射強迫的概念，分析雲反照率效應（Cloud Albedo Effect）與雲壽命效應（Cloud Lifetime Effect）在區域氣候變化中的競爭與平衡。 化學反應網絡與傳輸： 考察臭氧、OH自由基、VOCs等大氣活性組分在對流層和平流層中的光化學反應網絡，並利用通量協方差法評估城市汙染物和區域輸送對本地空氣質量的貢獻。 第二部分：高效能計算與數據同化技術 隨著觀測數據量的爆炸性增長和模式分辨率的不斷提高，本部分著重於介紹支撐現代氣象預報和氣候模擬的核心計算科學。 第三章：數值模式的並行計算與算法優化 高分辨率模式的網格技術： 比較和評估當前主流的全球和區域數值模型（如基於有限體積、有限差分和譜方法）在處理地形、陸麵耦閤和斜率限製器時的數值穩定性。重點討論在地轉近似（Geostrophic Approximation）和靜力近似（Hydrostatic Approximation）失效區域，如何應用非靜力方程組的求解策略。 並行計算架構與負載均衡： 深入分析Message Passing Interface (MPI) 和 OpenMP 在大規模計算中的應用。闡述如何針對不同的超級計算機架構（如眾核CPU與GPU混閤係統），優化通信開銷與計算效率，特彆是對於數據依賴性強的半隱式時間積分方案，如何實現高效的域分解和負載均衡。 高效的時間積分方案： 對比分析三層前嚮-後嚮方案（Trapezoidal-Forward-Backward, TFB）與顯式-隱式時間步長分離方法。探討如何利用Krylov子空間迭代方法或預條件子技術，加速求解由離散化帶來的龐大綫性代數方程組。 第四章：現代數據同化理論與應用 數據同化是將離散觀測信息融入數值模式，以獲得最佳初始場的技術核心。 變分法（3D-Var與4D-Var）的數學構造： 詳細闡述最小化背景誤差協方差矩陣 ($mathbf{B}$) 和觀測誤差協方差矩陣 ($mathbf{R}$) 的代價函數。重點解析如何通過伴隨模型（Adjoint Model）高效計算梯度，並討論如何處理模式誤差（$mathbf{Q}$矩陣）的估計問題。 集閤卡爾曼濾波（EnKF）的局限與改進： 分析標準EnKF在處理高維係統和模式誤差時的局限性。介紹混閤EnKF（Hybrid EnKF）的原理，即如何結閤變分法中的背景信息和集閤方法對流動的誤差協方差，特彆是探討局部化（Localization）技術（如Perturbed Observation / Perturbed Model）的優化策略。 同化前處理與後處理： 討論觀測算子（Observation Operator）的精確構建，特彆是針對衛星遙感數據（如輻射亮度、廓綫産品）的非綫性正演模型。同時，介紹同化效果的診斷分析，包括使用觀測值殘差統計和敏感度分析來評估同化增益。 第三部分：新興觀測技術與模式驗證 本部分轉嚮大氣科學的“感官”係統，探討如何利用新一代的儀器技術獲取更精細、更連續的數據，並如何科學地評估數值模擬的可靠性。 第五章：激光雷達、GPS與無人機探測網絡 大氣動力學激光雷達（Doppler Lidar）： 深入理解多普勒頻移與大氣風場（特彆是垂直速度）的反演原理。討論多普勒譜綫展寬（Spectral Broadening）對湍流估計的影響，以及如何利用相控陣激光雷達技術實現三維風場掃描。 全球導航衛星係統（GNSS）水汽反演： 闡述利用GNSS信號傳輸延遲（ZTD）反演可降水量（PWV）的精密技術。對比不同掩膜函數和對流層延遲模型對高時間分辨率水汽場的精度影響。 移動觀測平颱： 介紹搭載高頻傳感器的無人機（UAVs）和探空氣球在邊界層和對流層中上部的廓綫探測能力。探討如何將這些高空間分辨率、低時空覆蓋率的數據，通過插值或匹配濾波技術，用於校準或驅動區域數值模型。 第六章：模型性能的統計驗證與歸因分析 多指標檢驗框架： 不僅限於傳統的均方根誤差（RMSE）和偏差分析，本章引入瞭基於分位數迴歸（Quantile Regression）的預報性能評估，以識彆模型在不同極端事件強度下的係統性誤差。 結構相似性與空間相關性檢驗： 針對天氣係統（如颱風路徑、鋒麵位置），介紹基於菲爾德-布雷迪圖（FSS）和結構相似性度量（Structure-Similarity Index Measure, SSIM）的驗證方法，以量化預報場的空間結構準確性。 可預報性與歸因： 結閤集閤預報係統（EPS）的輸齣，利用“離群值檢測”和“概率預報評分”（如Brier Score），評估不同模式參數化方案對集閤離散度的貢獻。最終，構建基於觀測基準的歸因模型，區分由初始條件誤差、模式結構誤差和物理參數化誤差引起的可預報性損失。 本書力求為讀者提供一個跳齣傳統天氣動力學框架的全新視角，通過深入理解這些前沿技術與理論的融閤，提升對大氣過程復雜性的駕馭能力。

評分☆☆☆☆☆

我一直認為，要想真正理解一個科學領域，離不開對其背後數學工具的深刻認識。而這本書，恰恰是在大氣科學領域，對數學工具的應用進行瞭一次極其詳盡和深入的梳理。當我瀏覽到“大氣動力學中的位勢和流函數”這一部分時，我立刻被吸引住瞭。我之前對位勢和流函數在流體力學中的應用有一些瞭解，但如何將其巧妙地引入大氣運動的描述，並簡化方程組，這是一個非常精妙的設計。書中是否會詳細講解這些函數如何捕獲大氣運動的某些關鍵特徵，比如無散和無輻閤流動，以及它們如何幫助我們更好地理解大尺度大氣環流的結構和演變，這讓我充滿期待。此外，我對書中可能涉及的“非綫性動力學”部分也格外關注。我們都知道，大氣運動充滿瞭非綫性特徵，比如混沌現象。如何用數學方法來描述和分析這些非綫性過程，如何理解這些非綫性效應對天氣係統長期預測的限製，這都是我一直渴望弄清楚的問題。這本書是否會介紹一些非綫性動力學的基本概念，比如分岔、吸引子等，並將其與大氣現象聯係起來，我覺得這將為我打開一扇新的大門，讓我對大氣係統的復雜性和不可預測性有更深層次的理解。這本書給我的感覺是，它不僅僅是關於大氣科學的知識，更是關於如何用嚴謹的數學語言去“思考”大氣科學，去“解析”大氣科學，從而揭示其內在的規律和奧秘，這是一種令人振奮的體驗。

評分☆☆☆☆☆

我必須說，這本書的深度和廣度都超齣瞭我的預期，它絕對不是一本輕鬆的讀物，但對於那些真正想在大氣科學領域有所建樹的人來說，這絕對是一本不可多得的寶藏。我尤其欣賞作者在處理復雜概念時的清晰邏輯和細緻講解。例如，書中關於“大氣輻射傳輸”的章節，我一直覺得這是一個非常抽象和難以理解的概念，涉及到光子的吸收、散射、發射等一係列物理過程，而這些過程又受到大氣成分、溫度、壓強等多種因素的影響。作者通過引入輻射傳輸方程，並結閤具體的例子，將這些復雜的物理現象一步步地分解，並且用清晰的數學語言進行描述。我尤其期待學習章節中關於“非黑體輻射”的討論，因為我們知道大氣中的氣體都不是理想的黑體，其輻射特性會更加復雜。這本書是如何處理這種非黑體情況的，以及如何通過數學模型來近似計算，這對我來說是極具吸引力的。另外，關於“大氣化學反應動力學”的部分，我也非常感興趣。大氣中的化學反應，比如臭氧的生成與分解，對我們賴以生存的空氣質量和紫外綫防護至關重要。理解這些化學反應的動力學過程，需要結閤速率方程、反應機理等概念，這本書是如何將這些化學動力學原理與大氣物理過程相結閤，形成完整的模型，我非常期待。這本書給我一種感覺，它不僅僅是描述現象，更是深入探究現象背後的數學和物理本質，並將其轉化為可計算、可預測的模型，這種科學精神令人欽佩。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對氣候變化問題日益關注的讀者，我一直在尋找能夠幫助我理解氣候係統背後復雜機製的書籍。而這本書，特彆是其中關於“氣候模型與模擬”的章節，給瞭我極大的啓發。我一直對氣候模型是如何構建和運行的感到好奇，它們如何將大氣、海洋、冰雪等各個圈層的物理過程納入考量，又如何通過數值計算來模擬未來的氣候變化趨勢。這本書是否會詳細介紹不同類型氣候模型（例如GCMs）的基本框架，以及它們在處理各種物理過程（如輻射傳輸、雲物理、水循環等）時所采用的數學方法，這對我來說至關重要。我尤其想瞭解書中關於“參數化方案”的討論。我知道，由於計算能力的限製，氣候模型無法直接模擬所有尺度的過程，因此需要使用參數化方案來近似處理那些無法直接解析的物理過程。這本書是否會深入探討不同參數化方案的原理、優缺點，以及它們對模型模擬結果的影響，這對於我評估氣候模型的可信度有著重要的參考價值。此外，書中對於“不確定性分析”的探討也讓我非常期待。氣候預測本身就存在著固有的不確定性，如何通過數學方法來量化和評估這些不確定性，是理解和解讀氣候預測結果的關鍵。這本書是否會介紹相關的統計學工具和方法，幫助我理解模型輸齣結果的置信區間和可能的誤差範圍，這將極大地提升我對氣候科學研究的理解深度。這本書給我的感覺是，它將科學研究的嚴謹性與現實問題的緊迫性相結閤，用數學和物理的語言，為我們理解和應對氣候挑戰提供瞭強大的工具和深刻的洞察。

評分☆☆☆☆☆

說實話，當初拿到這本書，主要是被它的“國傢級重點教材”的標簽所吸引，以為會是一本比較枯燥但權威的參考書。然而，當我開始翻閱，尤其是看到其中關於“大氣邊界層物理學”的章節時，我纔發現它遠不止於此。作者並沒有簡單地羅列公式，而是通過生動的例子和深入淺齣的分析，將那些看似抽象的物理概念變得觸手可及。我一直對我們頭頂上的大氣邊界層很感興趣，畢竟我們日常生活的大部分時間都在這個區域度過，而邊界層的動力學過程，比如湍流混閤、能量傳輸等，對我們每天的天氣變化有著直接的影響。這本書如何從納維-斯托剋斯方程齣發，推導齣適用於邊界層的簡化方程，並進一步解釋湍流擴散、熱量傳輸等現象，這讓我感到非常興奮。我特彆想瞭解書中關於“尺度分析”在邊界層研究中的應用，我知道尺度分析在物理學中是一個非常強大的工具，能夠幫助我們理解不同尺度下的物理過程，但將其具體應用到復雜的大氣邊界層中，我腦海裏還沒有一個清晰的輪廓。這本書是否能提供這方麵的詳細講解，讓我理解如何區分不同的尺度，並選擇閤適的數學模型來描述這些過程，這對我來說是一個巨大的誘惑。這本書給我的感覺是，它不僅傳授知識，更在培養一種解決問題的思維方式，一種能夠將復雜現象抽象化、模型化，並通過數學工具進行分析的能力，這對於一個 aspiring researcher 來說，彌足珍貴。

評分☆☆☆☆☆

這本書真的讓我開瞭眼界，雖然我對數學物理在天文學、地球科學等領域的應用早有耳聞，但如此係統深入地介紹大氣科學中的數學物理問題，還是第一次接觸。翻開目錄，我就被那些充滿挑戰性的標題吸引住瞭：從流體力學的守恒律到大氣波動的方程組，再到氣候模型的數值模擬，每一章都像是通往未知世界的鑰匙。我特彆期待學習“守恒律在斜壓大氣中的應用”這一部分，之前我隻知道守恒律在很多物理學領域都至關重要，但具體如何應用在大氣中，尤其是在復雜的多層斜壓大氣中，一直讓我感到睏惑。作者似乎從最基礎的物理原理齣發，一步步推導齣適用於大氣運動的數學方程，這種嚴謹的推導過程，對於我理解大氣現象背後的物理機製有著至關重要的作用。而且，書中涉及的不僅僅是理論推導，還提到瞭大量的數值方法和模型構建。我一直對如何通過計算機來模擬大氣運動感到好奇，比如我們經常聽說的天氣預報，背後到底是如何工作的？這本書應該能為我揭開這層神秘的麵紗，讓我瞭解那些復雜的算法和模型是如何從數學方程轉化為實際應用，並最終影響到我們日常生活的天氣預報。整體來說，這本書給我的感覺是既有深厚的理論基礎，又有前沿的應用實踐，是一本非常值得深入研讀的著作。

評分☆☆☆☆☆

全新正版的書籍，比較便宜實惠，喜歡

評分☆☆☆☆☆

差評差評。發票總是少開，上次幾毛錢，這次幾塊錢？

評分☆☆☆☆☆

知識點很全麵！適閤有較好數學基礎的人讀！

評分☆☆☆☆☆

差評差評。發票總是少開，上次幾毛錢，這次幾塊錢？

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知識點很全麵！適閤有較好數學基礎的人讀！

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書籍都挺好的，送貨稍微有點慢瞭，可能東西太多

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