数值天气和气候预测 [Numerical Weather and Climate Prediction] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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托马斯·汤姆金斯·沃纳（Thomas，Tomkins，Warner） 著，陈葆德，李泓，王晓峰 等 译

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• 数值天气预测
• 气候预测
• 大气科学
• 数值模拟
• 数据同化
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• 气候模型
• 大气动力学
• 大气热力学
• 科学计算

出版社： 气象出版社

ISBN：9787502962449

版次：1

商品编码：12090955

包装：平装

外文名称：Numerical Weather and Climate Prediction

开本：16开

出版时间：2017-03-01

用纸：胶版纸

页数：370

字数：640000

正文语种：中文

内容简介

　　《数值天气和气候预测》为研究生、研究人员和专业人士提供了关于天气和气候预测综合而易懂的论述。针对大气模式的使用，讲授其优点、缺陷和实践，对在各个方面应用模式的学者们来说是本理想的书籍。书中描述了不同的数值方法、资料同化、集合方法、可预报性、陆面模拟、气候模拟和降尺度、计算流体动力模式、基于模式研究的试验设计、检验方法、业务预报，以及空气质量模式和洪水预报等专业应用。
　　《数值天气和气候预测》基于作者在宾夕法尼亚州立大学和科罗拉多大学30多年所教授的课程，也得益于作者在美国国家大气研究中心（NCAR）的模式实践经历。
　　《数值天气和气候预测》将满足在研究和业务应用中需要了解大气模式的人士，适合作为天气和气候预测分支学科的教科书，也可作为具有大气科学、气象学、气候学、环境科学、地理学及地球物理流体力学／动力学等研究背景的专业人士作为参考用书。

内页插图

目录

中文版序一
中文版序二
中文版序三
中文版序四
译者前言
原版前言
缩略词一览表
主要符号

第1章 引言

第2章 大气控制方程组
2．1 基本方程
2．2 雷诺方程：分离不可分辨的湍流效应
2．3 方程组的近似

第3章 方程组的数值求解
3．1 基本概念综述
3．2 数值框架
3．3 有限差分方法
3．4 数值近似的影响
3．5 侧边界条件
3．6 上边界条件
3．7 守恒问题
3．8 模式建立过程的实用小结

第4章 物理过程参数化
4．1 背景
4．2 云微物理参数化
4．3 对流参数化
4．4 湍流或边界层参数化
4．5 辐射参数化
4．6 随机参数化
4．7 云量或云盖参数化

第5章 表面过程模拟
5．1 背景
5．2 须模拟的陆面过程
5．3 须模拟的海洋或湖水过程
5．4 陆地表层和次表层过程模拟
5．5 水面表层和次表层过程模拟
5．6 地形强迫
5．7 城市冠层模拟
5．8 表征地表属性的资料集

第6章 模式初始化
6．1 背景
6．2 用于模式初始化的观测
6．3 连续与间歇同化方法
6．4 模式初始调整（spinup）
6．5 资料同化的统计框架
6．6 逐步订正法
6．7 统计插值（最优插值）
6．8 三维变分分析
6．9 非绝热初始化方法
6．10 初始条件中的动力平衡
6．11 高级资料同化方法
6．12混合资料同化方法
6．13理想条件下的初始化

第7章 集合预报
7．1 背景
7．2 集合平均和集合离差
7．3 不确定性来源及集合成员的定义
7．4 集合预报的解释和检验
7．5 集合校正
7．6 时间滞后集合
7．7 有限区域短期集合预报
7．8 集合产品的图形显示
7，9集合预报的经济效益

第8章 可预报性
8．1 背景
8．2 模式误差和初值误差
8．3 陆面强迫对可预报性的影响
8．4 预报性差异的原因
8．5 有限区域中尺度模式中可预报性的特殊考虑
8．6 可预报性及模式改进
8．7 后处理对可预报性的影响

第9章 检验方法
9．1 背景
9．2 常用模式检验指标
9．3 参考预报及其应用
9．4 真值数据集：观测资料与基于观测的分析资料
9．5 特殊因素的考虑
9．6 基于概率分布函数的检验
9．7 基于天气型态、特定时刻与季节的检验
9．8 基于特征、事件、目标的检验
9．9 基于大气特征尺度的检验
9．10 基于模式回报的检验
9．11 基于预报经济价值的检验
9．12 合理检验指标的选择
9．13 模式检验软件工具包
9．14 用于模式检验的观测资料

第10章 模式研究中的试验设计
10．1 物理过程分析的个例研究
10．2 观测系统模拟试验
10．3 观测系统试验
10．4 BB-LB试验
10．5 再预报
10．6 敏感性研究
10．7 预报技巧研究
10．8 使用人造初始条件的模拟
10．9 使用降维和简化物理过程的模式
10．10 气象观测资料源

第11章 模式输出的分析技术
11．1 背景
11．2 显示和解释模式输出和观测资料的图形方法
11．3 分析模式变量场结构的数学方法
11．4 导出量的计算
11．5 能量学分析

第12章 业务数值预报
12．1 背景
12．2 模式可信度
12．3 业务有限区域模式的考虑
12．4 计算速度
12．5 后处理
12．6 实时检验
12．7 模式升级与研发的管理
12．8 预报过程中模式和预报员的相对作用

第13章 模式输出的统计后处理
13．1 背景
13．2 系统误差的去除
13．3 天气发生器
13．4 降尺度法

第14章 耦合的专业应用模式
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 气体与颗粒的传输、扩散和化学变化
14．6 交通安全与效率
14．7 电磁波与声波的传播
14．8 林火概率与林火活动
14．9 能源工业
14．10 农业
14．11 军事应用

第15章 计算流体力学模式
15．1 背景
15．2 CFD模式的种类
15．3 中尺度模式与LES模式的尺度区别
15．4 CFD模式与中尺度模式的耦合
15．5 CFD模式的应用示例
15．6 CFD模式的算法近似

第16章 气候模拟和降尺度
16．1 全球气候预测
16．2 当今全球气候的再分析
16．3 气候降尺度
16．4 模拟人为地貌变化的气候影响
附录 简单浅水方程代码结构和试验的建议
参考文献

前言/序言

　　2007年我回国领导华东区域中心的气候变化和区域数值预报的科研与业务工作。工作中发现，团队成员急需拓展数值模拟相关知识的深度与广度，就一直试图寻找一本深入浅出、综合全面的专业书籍供大家学习参考。直到2012年春，NCAR的Matthias Steiner博士访问上海，将刚刚出版的Thomas Warner的遗作《数值天气和气候预测》作为礼物送给我们。阅读以后发现此专著是迄今为止同类出版物中最全面、最详尽的一本。上海数值预报团队的资料同化专家李泓博士和长期从事数值天气预报应用的王晓峰博士，从各自的专业角度出发，也与我的看法高度一致。
　　数值预报作为预报天气的一种方法，发展至今已有百余年历史。随着探测技术和高性能计算的快速发展，数值预报已成为天气和气候预报必不可少的重要手段。考虑到广大学生、教师、科研和业务人员对综合了解数值预报基础理论和模式实践的迫切需求，我们组织翻译团队，历时四年，在中国气象局行业专项（GY-HY201206006）的资助下，共同努力将此书引入与翻译，期望译著对广大师生及模式研发、应用人员有所帮助。我们每个人很荣幸参与这一工作，以期能为数值天气与气候预报在我国的研究与应用贡献自己的一份微薄之力。
　　本书的翻译工作分工如下：目录、缩略词、符号及第1章由谭燕、杨玉华合作翻译，陈葆德校对；第2章由陈葆德翻译及校对；第3、14、15、16章由张旭翻译，陈葆德、谢英校对；第4、5章由黄伟翻译，刘梦娟校对；第6章由骆婧瑶翻译，李泓校对；第7、8、10章由李泓翻译，李泓、谭燕校对；第9、12章由张蕾翻译，谭燕、张蕾校对；第11、13章由王晓峰翻译，张蕾校对。另外，扉页、前言、附录等由李泓、谭燕、张旭完成。
　　翻译从2013年开始，从成稿、校对到反复修改、文字润色，期间凝聚着各位译者的辛勤劳动和几多汗水，也包含气象出版社李太宇编审的极大热情和心血。感谢黄润恒研究员、章澄昌教授等对全书各章节的审校。在此，我们要对那些为本书的出版付出辛劳和给予帮助的所有人表示衷心的感谢！最后十分感谢中国气象局矫梅燕副局长、上海市气象局陈振林局长、美国UCAR的郭英华（Bill Kuo）教授和Warner教授的学生、NOAA的华人科学家包剑文（Jian Wen Bao）博士为本译著写序，推荐本书。
　　由于译者水平有限，译文中肯定还有这样那样的不当之处，请各位读者不吝赐教，我们深表感谢。

数值天气和气候预测：理论、方法与应用 图书简介 本书全面深入地探讨了现代数值天气和气候预测的理论基础、核心方法以及前沿应用。全书结构严谨，内容翔实，旨在为大气科学、地球物理学、环境科学、气象工程以及相关交叉学科的研究人员、高年级本科生和研究生提供一本系统、权威的参考读物。 本书的编写力求平衡理论深度与工程实践，避免陷入过于抽象的数学推导，同时保证对关键物理和动力学原理的精确阐述。全书内容涵盖了从大气运动的基本方程组的建立，到复杂地球系统模式的耦合，再到高分辨率实时预报系统的具体实现等各个层面。 --- 第一部分：基础理论与数学框架 本部分奠定了数值天气和气候预测所需的理论基石，重点阐述了支撑现代预报系统的基本动力学和热力学原理。 第一章：大气动力学基础 本章首先回顾了宏观流体运动的基本控制方程，包括连续性方程、动量方程（牛顿第二定律在旋转参考系中的应用，引入科里奥利力和离心力）、热力学第一定律以及水汽输送方程。随后，重点讨论了无扰动和扰动方程的推导，引入了势能、斜压性和正压性的概念。内容深入到大气运动的准地转近似、地转风关系，并探讨了惯性稳定度和浮力频率在垂直运动分析中的作用。此外，本章还详细介绍了大气运动的几种基本尺度概念，如行星波（Rossby波）的特性及其在环流系统中的重要性。 第二章：地球流体动力学方程组的建立与数值化准备 本章专注于将物理定律转化为可用于数值计算的数学形式。详细讨论了球坐标系下方程的表达，以及如何引入地形、摩擦力和非保守力项。关键内容包括：位势场和流函数（或流速势函数）的引入，动量方程的简化与重构，以及热力学方程中考虑相变和辐射过程的必要性。 数值化是本部分的核心。本章系统介绍了离散化的基本概念，包括有限差分法、有限体积法和谱方法。重点分析了不同空间差分格式（如中心差分、迎风格式）的精度、稳定性和守恒性。时间积分方面，详细对比了显式、半隐式和全隐式时间步进方案的优缺点，尤其强调了半隐式方法在处理地球物理流体运动中惯性重力波方面的重要性，并讨论了条件和无条件稳定性的判据。 第三章：误差源分析与模式初始化 任何数值预报都受限于误差。本章系统梳理了误差的来源，将其分为四类：模型误差（物理过程不完全、分辨率不足）、初始场误差（观测误差、插值误差）、截断误差（数值离散化误差）和可预报性极限（混沌理论的引入）。 初始化是连接观测数据与模式计算的关键环节。本章详细阐述了“初始化”的物理意义，即确定模式初始时刻的精确状态。重点介绍了初始化方法，包括平衡初始化（如弱约束四维变分同化前的经典方法）、动态初始化，以及现代同化技术的基础——最优插值（OI）和卡尔曼滤波（KF）的基本思想。 --- 第二部分：天气预报模式的核心技术 本部分聚焦于数值天气预报（NWP）模型中用于描述大气物理过程和实现高效计算的关键模块。 第四章：物理参数化方案 由于分辨率的限制，模式无法直接解析云、湍流、辐射等中小尺度过程，必须依赖物理参数化方案。本章是模式系统的“心脏”之一。 边界层与地表过程： 讨论了动量、热量和水汽在行星边界层内的垂直交换过程，包括湍流闭合方案（如$ ext{K}$理论、$ ext{PBL}$方案）和地表能量平衡的计算。 云与降水过程： 深入分析了云微物理参数化，如一阶和二阶方案（包括对冰相、雨滴和雪粒的显式追踪），以及潜在不稳和对流参数化的原理和适用范围。 辐射传输： 阐述了短波和长波辐射的计算方法，包括吸收、散射、云层反射和地面发射的模拟，以及如何处理气体吸收谱线效应。 第五章：数据同化技术进阶 数据同化是现代预报系统的核心竞争力。本章从统计角度深入探讨了先进的同化方法。 三维变分同化（3D-Var）： 详细解释了如何最小化代价函数（观测信息与背景场之间的差异），重点讨论了背景误差协方差矩阵($mathbf{B}$)的构建方法，如集合方法和流依赖方法。 集合卡尔曼滤波（EnKF）及其变种： 阐述了集合预报方法如何动态估计背景误差，以及EnKF在处理大规模问题时的局限性（如“贫化”问题）。讨论了集合三维变分（En3D-Var）和混合四维变分（Hybrid 4D-Var）技术的结合优势。 四维变分同化（4D-Var）： 解释了如何利用伴随模式（Adjoint Model）高效计算梯度，并对预报时段内的观测信息进行最优利用。 第六章：高分辨率数值模拟与网格技术 随着计算能力的提升，模式分辨率不断提高。本章探讨了实现高分辨率预报所需的技术。 网格系统选择： 对比了笛卡尔网格、球极平面网格（如LAM/LAMPS）、以及旋转地球上的非结构化网格（如全球立方或多面体网格）的优劣。 处理极区问题： 专门分析了传统经纬度网格在极点附近网格畸变的问题，以及非结构化网格如何克服这一挑战。 并行计算架构： 讨论了如何将复杂的模式方程有效分配到数千个处理器上（如MPI和OpenMP的应用），包括计算域划分策略、数据依赖管理和通信优化。 --- 第三部分：气候预测与长期模拟 本部分将视角从短期天气预报转向长期气候模拟和预测，探讨了地球系统的复杂性。 第七章：地球系统模型（ESM）的耦合 气候预测本质上是对更广泛地球系统的模拟。本章聚焦于如何耦合大气、海洋、陆面和冰雪圈。 海洋模型： 介绍海洋动力学方程（如$ ext{BGL}$方程）及其在不同分辨率下的实现，以及混合层、对流和海气界面通量的处理。 陆面过程模型（LSM）： 探讨土壤水、植被、地表能量通量和地表反照率的参数化，及其与大气水循环的反馈机制。 冰雪模型与化学传输： 讨论海冰、冰川的动力学和热力学模拟，以及大气化学成分（如温室气体、气溶胶）输送模块的集成。 耦合方法： 详细比较了“紧耦合”（计算同步）和“松耦合”（时间步长异步）策略在不同气候研究中的应用。 第八章：气候预测与可预报性研究 本章关注长期预测的统计和动力学挑战。 自然变率与强迫因子： 分析了气候系统内部的自然振荡（如$ ext{ENSO}$、$ ext{PDO}$）和外部强迫（如温室气体、太阳活动）对长期趋势的影响。 集合气候预测： 介绍如何通过集合模拟来量化长期预测的不确定性，并对预报结果进行概率解释。 诊断与归因： 探讨了如何使用统计工具（如经验正交函数分析$ ext{EOF}$）从海量模拟数据中提取关键模态，以及如何区分人为影响和自然波动。 第九章：后处理、评估与应用 数值模拟结果需要经过严格的评估和转化才能服务于实际决策。 预报产品后处理： 介绍了统计降尺度技术（如$ ext{MOS}$、人工神经网络在偏差订正中的应用），以提高模式在特定地点的局地预报准确性。 预报性能评估指标： 详细论述了用于评估天气和气候模拟质量的常用指标，包括均方根误差（$ ext{RMSE}$）、偏差、临界成功指数（$ ext{CSI}$）以及用于评估概率预报的布里尔得分（$ ext{Brier Score}$）。 实际应用案例： 通过对极端天气事件（如台风路径、暴雨预报）和长期气候变化趋势的分析，展示了数值预报系统在防灾减灾和政策制定中的关键作用。 全书的论述风格严谨而务实，结合了最新的科研进展与工程实现细节，确保读者不仅理解“为什么”如此计算，更能掌握“如何”进行高效和准确的数值模拟。书中配有大量的图表、公式推导和算例分析，是深入理解现代大气科学核心技术的不可或缺的工具书。

评分☆☆☆☆☆

一本厚重的著作，仅仅翻阅扉页就能感受到其严谨与深邃。当我看到《数值天气和气候预测》这个标题时，脑海中立刻浮现出那些在屏幕上不断跳跃、变换的复杂模型，以及科学家们为了精准预报那捉摸不定的天气而付出的艰辛努力。我一直对大自然的力量充满敬畏，尤其是那些能够影响我们生活方方面面的天气现象，从一场突如其来的暴雨，到绵延数月的热浪，再到可能改变全球气候的长期趋势。这本书的出现，无疑为我打开了一扇深入了解这些神秘力量背后运作机制的窗户。我尤其好奇，那些看似随机的天气变化，是否真的可以通过一套精密的数学公式和物理定律来模拟和预测。这本书是否会带领我走进那些构建在超级计算机上的虚拟世界，那里模拟着地球的大气层，一步步揭示出风云变幻的秘密？我期待它能以一种清晰易懂的方式，解释那些我们普通人难以触及的科学原理，比如空气动力学、热力学在天气系统中的具体应用，以及如何将观测到的真实数据融入模型之中，从而提高预测的准确性。我希望它不仅仅是一本冰冷的教科书，更能激发读者对这个领域的探索热情，理解这项工作对于防灾减灾、农业生产、能源开发乃至全球环境保护的重大意义。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对自然科学充满热情但非专业出身的读者，看到《数值天气和气候预测》这个书名，立刻激起了我探索的欲望。我一直对天气变化感到既熟悉又神秘，从小时候仰望星空，到如今关注新闻里的天气预报，我都渴望了解背后的科学机制。这本书的名字暗示着一种将复杂自然现象转化为可计算、可预测的模式的过程，这让我非常着迷。我希望它能够以一种通俗易懂的方式，讲解那些构建天气和气候模型所必需的物理学和数学原理。我想知道，科学家们是如何将空气的流动、水汽的凝结、太阳辐射的吸收和反射等复杂的物理过程，转化为一系列可供计算机处理的方程组的。更重要的是，我非常好奇，对于那些我们无法直接观测到的区域，比如高层大气或者遥远的海洋，模型又是如何进行模拟和填充数据的？以及，在“气候预测”这个更宏大的议题上，这本书是否会探讨长期的气候变化趋势，以及这些预测对于我们理解地球未来的意义。

评分☆☆☆☆☆

《数值天气和气候预测》这个书名，光是听着就觉得一股科学的严谨气息扑面而来。我一直对我们赖以生存的地球以及它那变幻莫测的天气系统充满好奇，而能将其“数值化”进行预测，这本身就充满了魔力。我特别想知道，这本书是否会深入浅出地讲解那些隐藏在天气预报背后的科学原理。比如，那些复杂的数学模型是如何构建出来的？它们又是如何利用地球上密密麻麻的观测数据（气象站、卫星、雷达等等）来“学习”和“理解”大气的运动规律的？我希望能从书中了解到，当模型进行计算时，究竟发生了什么，那些抽象的数学公式又如何对应着现实世界中的风、雨、雪、温度等变化。此外，“气候预测”这个词也让我非常感兴趣。我希望能从书中了解到，科学家们是如何利用这些数值模型来模拟地球在未来几十年甚至上百年内的气候变化的，以及这些预测背后又蕴含着怎样的不确定性。这本书是否会带领我领略到，科学如何一步步揭示地球系统运行的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《数值天气和气候预测》本身就极大地勾起了我的好奇心，尤其是“数值”这个词，让我联想到那些隐藏在现象背后的数学模型和计算方法。我一直对科学如何解释和预测自然界的力量感到着迷，而天气和气候无疑是其中最复杂、也最影响人类生活的领域之一。想象一下，通过一套复杂的计算，我们能够提前知道几天甚至几个月后的天气状况，这简直就像拥有一种预知未来的能力。我特别想知道，这本书是如何将复杂的物理过程转化为我们可以理解的数学语言的？它会不会详细讲解那些构建预测模型的核心算法，比如有限差分法、谱方法等？我对此充满期待，希望能从中窥探到科学家们如何将流体动力学、辐射传输、相变等物理概念融入到数值模型中，并通过大量的计算来模拟大气的演变。同时，我也很好奇，在“预测”之外，这本书是否也会探讨“气候”的长期变化，以及如何利用数值模型来理解和预测全球变暖等长期趋势？这不仅是科学上的挑战，更是关乎人类未来生存的关键问题。我希望这本书能够以一种引人入胜的方式，将这些深奥的知识娓娓道来，让我感受到科学的魅力和力量。

评分☆☆☆☆☆

看到《数值天气和气候预测》这个书名，我立刻被它所传递出的信息所吸引。这不仅仅是关于天气预报那么简单，而是深入到了“数值”和“气候”这两个层面，暗示着这本书将带领读者进入一个更加宏观、更加精确的科学殿堂。我一直对那些能够洞察自然规律的科学技术感到钦佩，而天气和气候的预测，无疑是其中最具挑战性的领域之一。我非常好奇，这本书是否会深入探讨那些驱动天气系统运转的物理定律，比如科里奥利力、大气压梯度力等等，以及它们如何在数值模型中得到体现。更重要的是，我希望这本书能解答我的一个长久以来的疑问：我们是如何将这些瞬息万变、充满不确定性的自然现象，通过一套严谨的数学框架来进行模拟和预测的？它是否会详细介绍那些用于处理海量观测数据、并将其转化为模型输入的技术？同时，“气候预测”这个词也让我联想到那些关于地球未来变化的讨论，我期待这本书能够帮助我理解，科学家们是如何通过长期的数值模拟来揭示气候变化的趋势，并评估其潜在影响的。