Use of High Performance Computing in Meteorology pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:

作者:Mozdzynski, George (EDT)

出品人:

頁數:273

译者:

出版時間:

價格:216

裝幀:

isbn號碼:9789812775887

叢書系列:

圖書標籤:

• 高性能計算
• 氣象學
• 數值預報
• 並行計算
• 大氣科學
• 數值模擬
• 科學計算
• 超級計算機
• 數據分析
• 雲計算

現代氣象學與數值模擬：從基礎理論到前沿應用 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，探討現代氣象學領域的核心理論、觀測技術、數據分析方法以及數值天氣預報（NWP）的最新發展與實際應用。本書內容不涉及高性能計算在氣象學中的具體實施細節，而是著重於氣象科學本身的理論框架、物理過程的理解、數據處理的技術範式以及全球氣候係統的復雜性。 第一部分：大氣科學基礎與物理機製 本部分將首先奠定讀者對大氣科學的堅實基礎。我們將從流體力學和熱力學的基本原理齣發，詳細闡述大氣運動的驅動力——太陽輻射、地球自轉（科裏奧利力）以及氣壓梯度力。 大氣熱力學： 深入探討水汽的相變過程，包括凝結、蒸發、霜凍和升華，以及它們如何影響大氣穩定性和雲的形成。我們將分析濕絕熱過程，理解潛在溫度和位溫的概念，這些是分析大氣垂直結構的關鍵工具。 動力學基礎： 重點介紹描述大氣運動的守恒方程組，包括動量方程、質量連續性方程、熱力學第一定律和水汽連續性方程。我們將詳細解析地轉平衡、梯度風平衡和慣性平衡等概念，解釋風場與氣壓場的內在聯係。同時，對埃剋曼（Ekman）螺鏇和邊界層理論進行詳盡的討論，揭示地錶摩擦對風場的影響。 天氣現象的物理過程： 探討中尺度天氣係統的形成機製，例如對流的觸發機製、鋒麵的結構與演變，以及積雲和層雲的微物理過程。我們將分析降水效率、冰晶生長理論，以及大氣湍流對能量和動量輸送的作用。 第二部分：氣象觀測係統與數據處理 現代氣象學的進步嚴重依賴於高質量的觀測數據。本部分將聚焦於獲取和處理全球氣象數據的技術和方法論，而不探討如何加速數據處理的計算架構。 全球觀測網絡： 全麵介紹地基、空基和天基的觀測平颱。詳細描述地麵自動氣象站（AWS）的配置、探空氣球（Radiosondes）的探測原理及其局限性。對雷達氣象學進行深入剖析，解釋多普勒雷達如何測量風場和降水強度，以及雲係演變中的信息提取。 衛星遙感原理： 闡述氣象衛星（包括極軌衛星和地球同步衛星）的工作原理。重點討論被動遙感技術，分析可見光、紅外和微波通道的物理輻射定律，以及如何從輻射測量中反演大氣溫度廓綫、水汽含量和雲頂高度。 數據同化概述： 介紹氣象數據同化（Data Assimilation, DA）的核心概念。DA的目的是將離散的觀測數據融入到大氣模型的初始狀態中。我們將討論分析場（Analysis Field）的構建過程，包括質量控製、誤差協方差的估計，以及不同同化方法（如最優插值、四維變分同化（4D-Var）的基本數學框架）的理論基礎。 第三部分：氣候係統科學與長期變化 本部分將視角從短期天氣預報擴展到地球係統的長期演變，著重於氣候學原理和影響評估。 氣候係統組成： 詳細解析大氣圈、海洋圈、冰凍圈、岩石圈和生物圈之間的相互作用。特彆是海洋環流（如溫鹽環流和錶層環流）對全球熱量再分配的關鍵作用。 氣候變率與可預測性： 探討自然氣候變率的現象，例如厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）、北大西洋振蕩（NAO）和太平洋年代際振蕩（PDO）。我們將分析這些現象的物理機製，並探討它們對區域氣候模式的影響。 輻射平衡與氣候強迫： 深入研究地球的能量收支平衡。解釋溫室氣體在大氣中的輻射特性，以及氣溶膠對氣候係統的冷卻或增溫效應。對氣候敏感性（Climate Sensitivity）的定義、計算方法及其不確定性來源進行詳盡的討論。 第四部分：大氣過程的數學錶徵與模型構建邏輯 本部分將探討如何將物理定律轉化為可計算的數學模型，側重於模型設計和方法的選擇，而非具體的計算效率優化。 偏微分方程的離散化： 闡述將連續的大氣動力學和熱力學方程組轉化為離散形式（有限差分、譜方法或有限元）的基本步驟。討論在不同空間和時間尺度上選擇離散方案時所麵臨的數值穩定性挑戰。 參數化方案的必要性： 詳細解釋次網格尺度的過程（如積雲對流、雲微物理、地錶通量交換）必須通過參數化方案來近似錶示的原因。對不同參數化方案的理論依據、優缺點進行比較分析，例如邊界層參數化方案（如K-epsilon模型）和輻射傳輸參數化（如短波和長波輻射計算）。 模型誤差與可預報性極限： 探討大氣模型固有的係統性誤差（Bias）和隨機誤差的來源。基於混沌理論，分析大氣運動的內在不可預測性，界定確定性預報的極限，並介紹集閤預報（Ensemble Forecasting）的概念，該方法通過運行多次不同初始條件的預報來量化預報的不確定性。 本書結構嚴謹，內容翔實，旨在培養讀者對復雜大氣係統的深刻理解和批判性分析能力，為進一步研究氣象學、氣候學或相關應用領域提供堅實的知識基礎。

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