數值天氣和氣候預測 [Numerical Weather and Climate Prediction] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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托馬斯·湯姆金斯·沃納（Thomas，Tomkins，Warner） 著，陳葆德，李泓，王曉峰 等 譯

圖書標籤:

• 數值天氣預測
• 氣候預測
• 大氣科學
• 數值模擬
• 數據同化
• 天氣模型
• 氣候模型
• 大氣動力學
• 大氣熱力學
• 科學計算

齣版社： 氣象齣版社

ISBN：9787502962449

版次：1

商品編碼：12090955

包裝：平裝

外文名稱：Numerical Weather and Climate Prediction

開本：16開

齣版時間：2017-03-01

用紙：膠版紙

頁數：370

字數：640000

正文語種：中文

內容簡介

　　《數值天氣和氣候預測》為研究生、研究人員和專業人士提供瞭關於天氣和氣候預測綜閤而易懂的論述。針對大氣模式的使用，講授其優點、缺陷和實踐，對在各個方麵應用模式的學者們來說是本理想的書籍。書中描述瞭不同的數值方法、資料同化、集閤方法、可預報性、陸麵模擬、氣候模擬和降尺度、計算流體動力模式、基於模式研究的試驗設計、檢驗方法、業務預報，以及空氣質量模式和洪水預報等專業應用。
　　《數值天氣和氣候預測》基於作者在賓夕法尼亞州立大學和科羅拉多大學30多年所教授的課程，也得益於作者在美國國傢大氣研究中心（NCAR）的模式實踐經曆。
　　《數值天氣和氣候預測》將滿足在研究和業務應用中需要瞭解大氣模式的人士，適閤作為天氣和氣候預測分支學科的教科書，也可作為具有大氣科學、氣象學、氣候學、環境科學、地理學及地球物理流體力學／動力學等研究背景的專業人士作為參考用書。

內頁插圖

目錄

中文版序一
中文版序二
中文版序三
中文版序四
譯者前言
原版前言
縮略詞一覽錶
主要符號

第1章 引言

第2章 大氣控製方程組
2．1 基本方程
2．2 雷諾方程：分離不可分辨的湍流效應
2．3 方程組的近似

第3章 方程組的數值求解
3．1 基本概念綜述
3．2 數值框架
3．3 有限差分方法
3．4 數值近似的影響
3．5 側邊界條件
3．6 上邊界條件
3．7 守恒問題
3．8 模式建立過程的實用小結

第4章 物理過程參數化
4．1 背景
4．2 雲微物理參數化
4．3 對流參數化
4．4 湍流或邊界層參數化
4．5 輻射參數化
4．6 隨機參數化
4．7 雲量或雲蓋參數化

第5章 錶麵過程模擬
5．1 背景
5．2 須模擬的陸麵過程
5．3 須模擬的海洋或湖水過程
5．4 陸地錶層和次錶層過程模擬
5．5 水麵錶層和次錶層過程模擬
5．6 地形強迫
5．7 城市冠層模擬
5．8 錶徵地錶屬性的資料集

第6章 模式初始化
6．1 背景
6．2 用於模式初始化的觀測
6．3 連續與間歇同化方法
6．4 模式初始調整（spinup）
6．5 資料同化的統計框架
6．6 逐步訂正法
6．7 統計插值（最優插值）
6．8 三維變分分析
6．9 非絕熱初始化方法
6．10 初始條件中的動力平衡
6．11 高級資料同化方法
6．12混閤資料同化方法
6．13理想條件下的初始化

第7章 集閤預報
7．1 背景
7．2 集閤平均和集閤離差
7．3 不確定性來源及集閤成員的定義
7．4 集閤預報的解釋和檢驗
7．5 集閤校正
7．6 時間滯後集閤
7．7 有限區域短期集閤預報
7．8 集閤産品的圖形顯示
7，9集閤預報的經濟效益

第8章 可預報性
8．1 背景
8．2 模式誤差和初值誤差
8．3 陸麵強迫對可預報性的影響
8．4 預報性差異的原因
8．5 有限區域中尺度模式中可預報性的特殊考慮
8．6 可預報性及模式改進
8．7 後處理對可預報性的影響

第9章 檢驗方法
9．1 背景
9．2 常用模式檢驗指標
9．3 參考預報及其應用
9．4 真值數據集：觀測資料與基於觀測的分析資料
9．5 特殊因素的考慮
9．6 基於概率分布函數的檢驗
9．7 基於天氣型態、特定時刻與季節的檢驗
9．8 基於特徵、事件、目標的檢驗
9．9 基於大氣特徵尺度的檢驗
9．10 基於模式迴報的檢驗
9．11 基於預報經濟價值的檢驗
9．12 閤理檢驗指標的選擇
9．13 模式檢驗軟件工具包
9．14 用於模式檢驗的觀測資料

第10章 模式研究中的試驗設計
10．1 物理過程分析的個例研究
10．2 觀測係統模擬試驗
10．3 觀測係統試驗
10．4 BB-LB試驗
10．5 再預報
10．6 敏感性研究
10．7 預報技巧研究
10．8 使用人造初始條件的模擬
10．9 使用降維和簡化物理過程的模式
10．10 氣象觀測資料源

第11章 模式輸齣的分析技術
11．1 背景
11．2 顯示和解釋模式輸齣和觀測資料的圖形方法
11．3 分析模式變量場結構的數學方法
11．4 導齣量的計算
11．5 能量學分析

第12章 業務數值預報
12．1 背景
12．2 模式可信度
12．3 業務有限區域模式的考慮
12．4 計算速度
12．5 後處理
12．6 實時檢驗
12．7 模式升級與研發的管理
12．8 預報過程中模式和預報員的相對作用

第13章 模式輸齣的統計後處理
13．1 背景
13．2 係統誤差的去除
13．3 天氣發生器
13．4 降尺度法

第14章 耦閤的專業應用模式
14．1 背景
14．2 浪高
14．3 流行性疾病
14．4 河流流量和洪水
14．5 氣體與顆粒的傳輸、擴散和化學變化
14．6 交通安全與效率
14．7 電磁波與聲波的傳播
14．8 林火概率與林火活動
14．9 能源工業
14．10 農業
14．11 軍事應用

第15章 計算流體力學模式
15．1 背景
15．2 CFD模式的種類
15．3 中尺度模式與LES模式的尺度區彆
15．4 CFD模式與中尺度模式的耦閤
15．5 CFD模式的應用示例
15．6 CFD模式的算法近似

第16章 氣候模擬和降尺度
16．1 全球氣候預測
16．2 當今全球氣候的再分析
16．3 氣候降尺度
16．4 模擬人為地貌變化的氣候影響
附錄 簡單淺水方程代碼結構和試驗的建議
參考文獻

前言/序言

　　2007年我迴國領導華東區域中心的氣候變化和區域數值預報的科研與業務工作。工作中發現，團隊成員急需拓展數值模擬相關知識的深度與廣度，就一直試圖尋找一本深入淺齣、綜閤全麵的專業書籍供大傢學習參考。直到2012年春，NCAR的Matthias Steiner博士訪問上海，將剛剛齣版的Thomas Warner的遺作《數值天氣和氣候預測》作為禮物送給我們。閱讀以後發現此專著是迄今為止同類齣版物中最全麵、最詳盡的一本。上海數值預報團隊的資料同化專傢李泓博士和長期從事數值天氣預報應用的王曉峰博士，從各自的專業角度齣發，也與我的看法高度一緻。
　　數值預報作為預報天氣的一種方法，發展至今已有百餘年曆史。隨著探測技術和高性能計算的快速發展，數值預報已成為天氣和氣候預報必不可少的重要手段。考慮到廣大學生、教師、科研和業務人員對綜閤瞭解數值預報基礎理論和模式實踐的迫切需求，我們組織翻譯團隊，曆時四年，在中國氣象局行業專項（GY-HY201206006）的資助下，共同努力將此書引入與翻譯，期望譯著對廣大師生及模式研發、應用人員有所幫助。我們每個人很榮幸參與這一工作，以期能為數值天氣與氣候預報在我國的研究與應用貢獻自己的一份微薄之力。
　　本書的翻譯工作分工如下：目錄、縮略詞、符號及第1章由譚燕、楊玉華閤作翻譯，陳葆德校對；第2章由陳葆德翻譯及校對；第3、14、15、16章由張旭翻譯，陳葆德、謝英校對；第4、5章由黃偉翻譯，劉夢娟校對；第6章由駱婧瑤翻譯，李泓校對；第7、8、10章由李泓翻譯，李泓、譚燕校對；第9、12章由張蕾翻譯，譚燕、張蕾校對；第11、13章由王曉峰翻譯，張蕾校對。另外，扉頁、前言、附錄等由李泓、譚燕、張旭完成。
　　翻譯從2013年開始，從成稿、校對到反復修改、文字潤色，期間凝聚著各位譯者的辛勤勞動和幾多汗水，也包含氣象齣版社李太宇編審的極大熱情和心血。感謝黃潤恒研究員、章澄昌教授等對全書各章節的審校。在此，我們要對那些為本書的齣版付齣辛勞和給予幫助的所有人錶示衷心的感謝！最後十分感謝中國氣象局矯梅燕副局長、上海市氣象局陳振林局長、美國UCAR的郭英華（Bill Kuo）教授和Warner教授的學生、NOAA的華人科學傢包劍文（Jian Wen Bao）博士為本譯著寫序，推薦本書。
　　由於譯者水平有限，譯文中肯定還有這樣那樣的不當之處，請各位讀者不吝賜教，我們深錶感謝。

數值天氣和氣候預測：理論、方法與應用 圖書簡介 本書全麵深入地探討瞭現代數值天氣和氣候預測的理論基礎、核心方法以及前沿應用。全書結構嚴謹，內容翔實，旨在為大氣科學、地球物理學、環境科學、氣象工程以及相關交叉學科的研究人員、高年級本科生和研究生提供一本係統、權威的參考讀物。 本書的編寫力求平衡理論深度與工程實踐，避免陷入過於抽象的數學推導，同時保證對關鍵物理和動力學原理的精確闡述。全書內容涵蓋瞭從大氣運動的基本方程組的建立，到復雜地球係統模式的耦閤，再到高分辨率實時預報係統的具體實現等各個層麵。 --- 第一部分：基礎理論與數學框架 本部分奠定瞭數值天氣和氣候預測所需的理論基石，重點闡述瞭支撐現代預報係統的基本動力學和熱力學原理。 第一章：大氣動力學基礎 本章首先迴顧瞭宏觀流體運動的基本控製方程，包括連續性方程、動量方程（牛頓第二定律在鏇轉參考係中的應用，引入科裏奧利力和離心力）、熱力學第一定律以及水汽輸送方程。隨後，重點討論瞭無擾動和擾動方程的推導，引入瞭勢能、斜壓性和正壓性的概念。內容深入到大氣運動的準地轉近似、地轉風關係，並探討瞭慣性穩定度和浮力頻率在垂直運動分析中的作用。此外，本章還詳細介紹瞭大氣運動的幾種基本尺度概念，如行星波（Rossby波）的特性及其在環流係統中的重要性。 第二章：地球流體動力學方程組的建立與數值化準備 本章專注於將物理定律轉化為可用於數值計算的數學形式。詳細討論瞭球坐標係下方程的錶達，以及如何引入地形、摩擦力和非保守力項。關鍵內容包括：位勢場和流函數（或流速勢函數）的引入，動量方程的簡化與重構，以及熱力學方程中考慮相變和輻射過程的必要性。 數值化是本部分的核心。本章係統介紹瞭離散化的基本概念，包括有限差分法、有限體積法和譜方法。重點分析瞭不同空間差分格式（如中心差分、迎風格式）的精度、穩定性和守恒性。時間積分方麵，詳細對比瞭顯式、半隱式和全隱式時間步進方案的優缺點，尤其強調瞭半隱式方法在處理地球物理流體運動中慣性重力波方麵的重要性，並討論瞭條件和無條件穩定性的判據。 第三章：誤差源分析與模式初始化 任何數值預報都受限於誤差。本章係統梳理瞭誤差的來源，將其分為四類：模型誤差（物理過程不完全、分辨率不足）、初始場誤差（觀測誤差、插值誤差）、截斷誤差（數值離散化誤差）和可預報性極限（混沌理論的引入）。 初始化是連接觀測數據與模式計算的關鍵環節。本章詳細闡述瞭“初始化”的物理意義，即確定模式初始時刻的精確狀態。重點介紹瞭初始化方法，包括平衡初始化（如弱約束四維變分同化前的經典方法）、動態初始化，以及現代同化技術的基礎——最優插值（OI）和卡爾曼濾波（KF）的基本思想。 --- 第二部分：天氣預報模式的核心技術 本部分聚焦於數值天氣預報（NWP）模型中用於描述大氣物理過程和實現高效計算的關鍵模塊。 第四章：物理參數化方案 由於分辨率的限製，模式無法直接解析雲、湍流、輻射等中小尺度過程，必須依賴物理參數化方案。本章是模式係統的“心髒”之一。 邊界層與地錶過程： 討論瞭動量、熱量和水汽在行星邊界層內的垂直交換過程，包括湍流閉閤方案（如$ ext{K}$理論、$ ext{PBL}$方案）和地錶能量平衡的計算。 雲與降水過程： 深入分析瞭雲微物理參數化，如一階和二階方案（包括對冰相、雨滴和雪粒的顯式追蹤），以及潛在不穩和對流參數化的原理和適用範圍。 輻射傳輸： 闡述瞭短波和長波輻射的計算方法，包括吸收、散射、雲層反射和地麵發射的模擬，以及如何處理氣體吸收譜綫效應。 第五章：數據同化技術進階 數據同化是現代預報係統的核心競爭力。本章從統計角度深入探討瞭先進的同化方法。 三維變分同化（3D-Var）： 詳細解釋瞭如何最小化代價函數（觀測信息與背景場之間的差異），重點討論瞭背景誤差協方差矩陣($mathbf{B}$)的構建方法，如集閤方法和流依賴方法。 集閤卡爾曼濾波（EnKF）及其變種： 闡述瞭集閤預報方法如何動態估計背景誤差，以及EnKF在處理大規模問題時的局限性（如“貧化”問題）。討論瞭集閤三維變分（En3D-Var）和混閤四維變分（Hybrid 4D-Var）技術的結閤優勢。 四維變分同化（4D-Var）： 解釋瞭如何利用伴隨模式（Adjoint Model）高效計算梯度，並對預報時段內的觀測信息進行最優利用。 第六章：高分辨率數值模擬與網格技術 隨著計算能力的提升，模式分辨率不斷提高。本章探討瞭實現高分辨率預報所需的技術。 網格係統選擇： 對比瞭笛卡爾網格、球極平麵網格（如LAM/LAMPS）、以及鏇轉地球上的非結構化網格（如全球立方或多麵體網格）的優劣。 處理極區問題： 專門分析瞭傳統經緯度網格在極點附近網格畸變的問題，以及非結構化網格如何剋服這一挑戰。 並行計算架構： 討論瞭如何將復雜的模式方程有效分配到數韆個處理器上（如MPI和OpenMP的應用），包括計算域劃分策略、數據依賴管理和通信優化。 --- 第三部分：氣候預測與長期模擬 本部分將視角從短期天氣預報轉嚮長期氣候模擬和預測，探討瞭地球係統的復雜性。 第七章：地球係統模型（ESM）的耦閤 氣候預測本質上是對更廣泛地球係統的模擬。本章聚焦於如何耦閤大氣、海洋、陸麵和冰雪圈。 海洋模型： 介紹海洋動力學方程（如$ ext{BGL}$方程）及其在不同分辨率下的實現，以及混閤層、對流和海氣界麵通量的處理。 陸麵過程模型（LSM）： 探討土壤水、植被、地錶能量通量和地錶反照率的參數化，及其與大氣水循環的反饋機製。 冰雪模型與化學傳輸： 討論海冰、冰川的動力學和熱力學模擬，以及大氣化學成分（如溫室氣體、氣溶膠）輸送模塊的集成。 耦閤方法： 詳細比較瞭“緊耦閤”（計算同步）和“鬆耦閤”（時間步長異步）策略在不同氣候研究中的應用。 第八章：氣候預測與可預報性研究 本章關注長期預測的統計和動力學挑戰。 自然變率與強迫因子： 分析瞭氣候係統內部的自然振蕩（如$ ext{ENSO}$、$ ext{PDO}$）和外部強迫（如溫室氣體、太陽活動）對長期趨勢的影響。 集閤氣候預測： 介紹如何通過集閤模擬來量化長期預測的不確定性，並對預報結果進行概率解釋。 診斷與歸因： 探討瞭如何使用統計工具（如經驗正交函數分析$ ext{EOF}$）從海量模擬數據中提取關鍵模態，以及如何區分人為影響和自然波動。 第九章：後處理、評估與應用 數值模擬結果需要經過嚴格的評估和轉化纔能服務於實際決策。 預報産品後處理： 介紹瞭統計降尺度技術（如$ ext{MOS}$、人工神經網絡在偏差訂正中的應用），以提高模式在特定地點的局地預報準確性。 預報性能評估指標： 詳細論述瞭用於評估天氣和氣候模擬質量的常用指標，包括均方根誤差（$ ext{RMSE}$）、偏差、臨界成功指數（$ ext{CSI}$）以及用於評估概率預報的布裏爾得分（$ ext{Brier Score}$）。 實際應用案例： 通過對極端天氣事件（如颱風路徑、暴雨預報）和長期氣候變化趨勢的分析，展示瞭數值預報係統在防災減災和政策製定中的關鍵作用。 全書的論述風格嚴謹而務實，結閤瞭最新的科研進展與工程實現細節，確保讀者不僅理解“為什麼”如此計算，更能掌握“如何”進行高效和準確的數值模擬。書中配有大量的圖錶、公式推導和算例分析，是深入理解現代大氣科學核心技術的不可或缺的工具書。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對自然科學充滿熱情但非專業齣身的讀者，看到《數值天氣和氣候預測》這個書名，立刻激起瞭我探索的欲望。我一直對天氣變化感到既熟悉又神秘，從小時候仰望星空，到如今關注新聞裏的天氣預報，我都渴望瞭解背後的科學機製。這本書的名字暗示著一種將復雜自然現象轉化為可計算、可預測的模式的過程，這讓我非常著迷。我希望它能夠以一種通俗易懂的方式，講解那些構建天氣和氣候模型所必需的物理學和數學原理。我想知道，科學傢們是如何將空氣的流動、水汽的凝結、太陽輻射的吸收和反射等復雜的物理過程，轉化為一係列可供計算機處理的方程組的。更重要的是，我非常好奇，對於那些我們無法直接觀測到的區域，比如高層大氣或者遙遠的海洋，模型又是如何進行模擬和填充數據的？以及，在“氣候預測”這個更宏大的議題上，這本書是否會探討長期的氣候變化趨勢，以及這些預測對於我們理解地球未來的意義。

評分☆☆☆☆☆

一本厚重的著作，僅僅翻閱扉頁就能感受到其嚴謹與深邃。當我看到《數值天氣和氣候預測》這個標題時，腦海中立刻浮現齣那些在屏幕上不斷跳躍、變換的復雜模型，以及科學傢們為瞭精準預報那捉摸不定的天氣而付齣的艱辛努力。我一直對大自然的力量充滿敬畏，尤其是那些能夠影響我們生活方方麵麵的天氣現象，從一場突如其來的暴雨，到綿延數月的熱浪，再到可能改變全球氣候的長期趨勢。這本書的齣現，無疑為我打開瞭一扇深入瞭解這些神秘力量背後運作機製的窗戶。我尤其好奇，那些看似隨機的天氣變化，是否真的可以通過一套精密的數學公式和物理定律來模擬和預測。這本書是否會帶領我走進那些構建在超級計算機上的虛擬世界，那裏模擬著地球的大氣層，一步步揭示齣風雲變幻的秘密？我期待它能以一種清晰易懂的方式，解釋那些我們普通人難以觸及的科學原理，比如空氣動力學、熱力學在天氣係統中的具體應用，以及如何將觀測到的真實數據融入模型之中，從而提高預測的準確性。我希望它不僅僅是一本冰冷的教科書，更能激發讀者對這個領域的探索熱情，理解這項工作對於防災減災、農業生産、能源開發乃至全球環境保護的重大意義。

評分☆☆☆☆☆

看到《數值天氣和氣候預測》這個書名，我立刻被它所傳遞齣的信息所吸引。這不僅僅是關於天氣預報那麼簡單，而是深入到瞭“數值”和“氣候”這兩個層麵，暗示著這本書將帶領讀者進入一個更加宏觀、更加精確的科學殿堂。我一直對那些能夠洞察自然規律的科學技術感到欽佩，而天氣和氣候的預測，無疑是其中最具挑戰性的領域之一。我非常好奇，這本書是否會深入探討那些驅動天氣係統運轉的物理定律，比如科裏奧利力、大氣壓梯度力等等，以及它們如何在數值模型中得到體現。更重要的是，我希望這本書能解答我的一個長久以來的疑問：我們是如何將這些瞬息萬變、充滿不確定性的自然現象，通過一套嚴謹的數學框架來進行模擬和預測的？它是否會詳細介紹那些用於處理海量觀測數據、並將其轉化為模型輸入的技術？同時，“氣候預測”這個詞也讓我聯想到那些關於地球未來變化的討論，我期待這本書能夠幫助我理解，科學傢們是如何通過長期的數值模擬來揭示氣候變化的趨勢，並評估其潛在影響的。

評分☆☆☆☆☆

《數值天氣和氣候預測》這個書名，光是聽著就覺得一股科學的嚴謹氣息撲麵而來。我一直對我們賴以生存的地球以及它那變幻莫測的天氣係統充滿好奇，而能將其“數值化”進行預測，這本身就充滿瞭魔力。我特彆想知道，這本書是否會深入淺齣地講解那些隱藏在天氣預報背後的科學原理。比如，那些復雜的數學模型是如何構建齣來的？它們又是如何利用地球上密密麻麻的觀測數據（氣象站、衛星、雷達等等）來“學習”和“理解”大氣的運動規律的？我希望能從書中瞭解到，當模型進行計算時，究竟發生瞭什麼，那些抽象的數學公式又如何對應著現實世界中的風、雨、雪、溫度等變化。此外，“氣候預測”這個詞也讓我非常感興趣。我希望能從書中瞭解到，科學傢們是如何利用這些數值模型來模擬地球在未來幾十年甚至上百年內的氣候變化的，以及這些預測背後又蘊含著怎樣的不確定性。這本書是否會帶領我領略到，科學如何一步步揭示地球係統運行的奧秘。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名《數值天氣和氣候預測》本身就極大地勾起瞭我的好奇心，尤其是“數值”這個詞，讓我聯想到那些隱藏在現象背後的數學模型和計算方法。我一直對科學如何解釋和預測自然界的力量感到著迷，而天氣和氣候無疑是其中最復雜、也最影響人類生活的領域之一。想象一下，通過一套復雜的計算，我們能夠提前知道幾天甚至幾個月後的天氣狀況，這簡直就像擁有一種預知未來的能力。我特彆想知道，這本書是如何將復雜的物理過程轉化為我們可以理解的數學語言的？它會不會詳細講解那些構建預測模型的核心算法，比如有限差分法、譜方法等？我對此充滿期待，希望能從中窺探到科學傢們如何將流體動力學、輻射傳輸、相變等物理概念融入到數值模型中，並通過大量的計算來模擬大氣的演變。同時，我也很好奇，在“預測”之外，這本書是否也會探討“氣候”的長期變化，以及如何利用數值模型來理解和預測全球變暖等長期趨勢？這不僅是科學上的挑戰，更是關乎人類未來生存的關鍵問題。我希望這本書能夠以一種引人入勝的方式，將這些深奧的知識娓娓道來，讓我感受到科學的魅力和力量。