Scale Dependence and Scale Invariance in Hydrology pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:

作者:Sposito, Garrison 编

出品人:

页数:444

译者:

出版时间:2008-10

价格:$ 68.93

装帧:

isbn号码:9780521088589

丛书系列:

图书标签:

水文学
尺度效应
尺度不变性
非线性水文
复杂系统
统计水文
流域水文
水文建模
混沌理论
多尺度分析

下载链接在页面底部

facebook linkedin mastodon messenger pinterest reddit telegram twitter viber vkontakte whatsapp 复制链接

想要找书就要到本本书屋

onlinetoolsland.com

立刻按 ctrl+D收藏本页

你会得到大惊喜!!

具体描述

Whether processes in the natural world are dependent or independent of the scale at which they operate is one of the major issues in hydrologic science. In this volume, leading hydrologists present their views on the role of scale effects in hydrologic phenomena occurring in a range of field settings, from the land surface to deep fractured rock. Self-contained and thought-provoking chapters cover both theoretical and applied hydrology. They provide critical insights into important topics such as general circulation models, floods, river networks, vadose-zone processes, groundwater transport, and fluid flow through fractured media. This book is intended as an accessible introduction for graduate students and researchers to some of the most significant questions and challenges that will face hydrologic science in the twenty-first century.

水文现象中的尺度依赖与尺度不变性水文学，作为研究地球水体运动、分布及其相互作用的科学，其核心挑战之一在于理解和量化不同空间和时间尺度下水文过程的复杂性。从微观的土壤孔隙渗透到宏观的流域尺度径流形成，再到全球的水循环，水文现象呈现出显著的尺度依赖性：即同一水文过程在不同尺度下可能表现出截然不同的行为模式。然而，在某些特定条件下，水文系统又会展现出令人惊叹的尺度不变性，即其统计特征在改变尺度时保持不变。本书旨在深入探讨水文现象中的尺度依赖与尺度不变性，揭示其内在机制，并为水文模型的发展和应用提供理论支撑。第一章：尺度在水文学中的概念与意义本章首先界定“尺度”在水文学研究中的多重含义，包括空间尺度（点、地块、子流域、流域、区域、全球）、时间尺度（瞬间、小时、日、月、年、年代际）、以及其他相关的尺度维度，如分辨率（格网大小、观测频率）。我们讨论尺度如何影响水文过程的观测、模拟和预测，强调“尺度效应”是水文学研究中普遍存在且必须正视的现象。通过回顾历史上的水文学研究，可以发现早期研究往往局限于特定的尺度，而现代水文学则越来越致力于跨尺度分析。本章还将阐述理解尺度依赖与不变性的重要性，它们不仅关乎基础科学的认知，更直接影响到水资源管理、洪水预警、干旱预测、生态环境评估等实际应用。忽视尺度问题可能导致模型参数的错误选择，模拟结果的误导，甚至灾难性的决策失误。第二章：尺度依赖性在不同水文过程中的体现本章将系统梳理尺度依赖性在各类关键水文过程中的具体表现。降水过程：从单个雷暴的降水强度到区域性降雨系统的空间分布，尺度显著影响降水的空间变异性和时间变异性。例如，点式雨量计的观测无法代表整个流域的平均降雨，而卫星遥感的降雨估算也存在其固有的分辨率和精度限制。蒸散发过程：植被类型、土壤湿度、大气条件等因素在不同尺度下的组合效应，导致地表蒸散发呈现复杂的尺度依赖。实验室内的小型盆栽实验与广域遥感监测的蒸散发估算结果可能存在显著差异。土壤水分动态：土壤渗透性、孔隙结构、地表坡度等微观尺度特征，在累积效应下影响着更大范围内的土壤水分储存和侧向传输。流域尺度的土壤水分状态是众多微观过程综合作用的结果。地下水流动：地质构造、岩性分布、水力传导度等在不同尺度下的空间异质性，决定了地下水的流动路径和补给排泄特征。区域性的地下水流模拟需要考虑地质单元的宏观分布，而局部注采则更关注具体井孔周边的水力梯度。地表径流形成：降雨在不同坡度、土壤类型、土地利用覆盖下的汇流过程，决定了同一场降雨在不同尺度下产生的径流量和峰值流量。集水区的形状、面积、坡度等是影响径流响应的重要尺度相关因素。洪水传播：洪水在河流网络中的传播速度和衰减特性，受到河道几何形状、糙率、分汊等尺度相关因素的影响。在不同的河流段，洪水波的传播方式可能大相径庭。水质过程：污染物在水体中的混合、稀释、沉降、吸附等过程，同样与水体尺度（河道宽度、深度、长度，湖泊面积、深度）以及水流速度等尺度相关因素密切相关。第三章：尺度不变性及其在水文学中的理论基础在本章中，我们将深入探讨水文现象中出现的尺度不变性现象，并解析其背后的理论根源。分形理论与自相似性：许多自然现象，包括地貌、河流网络、土壤孔隙结构等，都表现出分形特征，即在不同尺度下具有相似的统计结构。我们将介绍分形维度等概念，并探讨如何利用分形理论来描述和量化水文要素的空间异质性。统计自相似性：某些水文时间序列（如降雨量、流量）在统计上呈现自相似性，即其统计特征（如自相关函数、功率谱）在改变时间尺度时保持不变。我们将讨论功率谱分析、多重分形等方法在识别和量化时间尺度不变性方面的应用。概率分布的尺度不变性：在某些情况下，水文变量的概率分布可能在一定尺度范围内保持不变。例如，极端洪水事件的统计分布可能展现出一定的普适性。我们将讨论相关的概率模型和极端值理论。重标度不变性（Renormalization Group Theory）：借鉴物理学中的重标度群思想，探讨其在水文学中的应用潜力，以理解宏观尺度下的有效行为如何从微观尺度下的复杂相互作用中涌现，并保持尺度不变。涌现现象（Emergence）：尺度不变性往往与系统中的涌现现象紧密相关。在多尺度相互作用的复杂系统中，宏观层面的简单规律可能源于微观层面的混沌和非线性动力学。第四章：尺度不变性的识别与量化方法本章将重点介绍用于识别和量化水文现象中尺度不变性的各种数学和统计方法。功率谱分析（Power Spectral Analysis）：通过分析信号的功率谱密度随频率（或波数）的变化，来揭示时间或空间序列的自相似性或尺度不变性特征。分形维数计算：包括盒计数法（Box Counting）、相似维数法（Similarity Dimension）、信息维数法（Information Dimension）等，用于量化分形对象的复杂性和尺度不变性。多重分形分析（Multifractal Analysis）：针对统计特征在不同尺度下呈现复杂变化的现象，采用多重分形谱来描述变量的尺度依赖性。统计矩分析：通过计算不同阶次的统计矩（均值、方差、偏度、峰度等）随尺度的变化，来探测尺度不变性。小波分析（Wavelet Analysis）：一种能够同时捕捉信号的时间和频率（或尺度）信息的时频分析方法，特别适合分析非平稳信号和尺度依赖性。相关维数（Correlation Dimension）：用于量化嵌入相空间中数据点的聚集程度，常用于识别混沌系统的尺度不变性。第五章：尺度依赖性与不变性的相互作用及其动力学本章将深入探讨尺度依赖性与尺度不变性并非相互排斥，而是在水文系统中相互作用、相互转化的复杂关系。尺度边界与普适性：讨论在哪些尺度范围内，水文过程会表现出尺度不变性，以及这些尺度边界是如何形成的。识别出具有普适性的规律，有助于建立更普适的水文模型。阈值效应与尺度转换：探讨系统状态在不同尺度下可能发生的突变或相变，例如，在小尺度下表现为随机过程，但在大尺度下可能出现有序结构。多尺度建模的挑战与机遇：分析构建能够同时捕捉尺度依赖性和尺度不变性的水文模型所面临的挑战，以及如何利用这些概念来发展更准确、更具预测能力的跨尺度模型。复杂性涌现与自组织：探讨在多尺度相互作用的复杂水文系统中，简单规则如何导致复杂行为的涌现，以及系统如何趋向于某种“自组织”状态，其中可能包含尺度不变的特征。第六章：尺度效应在水文模型中的应用与局限本章将聚焦于尺度效应在当前水文模型开发与应用中的体现。参数的尺度依赖性：讨论模型参数（如渗透系数、糙率）如何随着模型单元尺度的变化而变化，以及如何处理这种尺度依赖性。模型结构的选择与尺度：分析不同模型结构（如概念模型、分布式模型、半分布式模型）在不同尺度下的适用性，以及模型分辨率对模拟结果的影响。数据同化中的尺度问题：探讨在数据同化过程中，如何协调不同尺度观测数据与模型输出，以提高模型精度。模型验证与尺度不匹配：分析在模型验证阶段，验证数据尺度与模型模拟尺度不匹配可能带来的问题。尺度转换方法：介绍常用的尺度转换方法，如参数重标度（Parameterization）、尺度平均（Averaging）、尺度升降（Upscaling/Downscaling）等，并讨论它们的优缺点。第七章：尺度依赖性与不变性在水文应用中的案例研究本章将通过具体的案例研究，展示尺度依赖性与尺度不变性在水文学各个分支中的实际应用。极端事件预测：以洪水或干旱为例，探讨如何利用尺度不变性原理来改进极端事件的频率和强度预测。流域水资源管理：分析在流域尺度的水资源规划与管理中，如何考虑不同尺度下的水文过程响应。气候变化影响评估：探讨在预测气候变化对水循环影响时，如何处理不同尺度下的响应差异。地表-地下水相互作用：以区域地下水补给或河道侧向渗漏为例，展示如何利用尺度理论来理解和模拟这种多尺度耦合过程。水质模型模拟：介绍在不同河流或湖泊尺度下，如何模拟污染物输移和转化，以及尺度效应的影响。第八章：展望与未来研究方向最后，本章将对水文现象中的尺度依赖与尺度不变性研究进行总结，并提出未来的研究方向和挑战。整合多尺度信息：强调发展能够有效整合来自不同尺度观测数据和模型模拟结果的理论框架。发展普适性模型：探索如何构建具有更强普适性和预测能力的跨尺度水文模型。非线性与混沌动力学：深入研究水文系统中的非线性动力学如何导致尺度依赖性和涌现出尺度不变性。机器学习与人工智能的应用：探讨如何利用先进的机器学习和人工智能技术来识别、量化和模拟尺度效应。多学科交叉：鼓励水文学与其他学科（如物理学、统计学、地理学、生态学）的交叉融合，以更全面地理解尺度问题。高性能计算的应用：认识到处理海量多尺度数据和复杂模型模拟需要强大的计算能力支持。本书将通过严谨的理论阐述、详实的数学推导和生动的案例分析，为读者提供一个全面而深入的视角，理解水文现象中尺度依赖性与尺度不变性的深刻内涵，为解决复杂的水文问题提供新的思路和工具。