理论气候学PDF电子书下载

第一编　基本理论和方法 1

前言 1

第一章　引论 3

1.1　气候的定义及其表示 3

1.2　气候系统 5

1.3　气候层次 7

1.4　理论气候学的研究内容及方法 8

1.5　世界气候研究计划和世界气候影响研究计划 9

1.5.1　世界气候研究计划 9

1.5.2　世界气候影响研究计划 10

第二章　气候系统的基本特性 12

2.1　气候过程 12

2.1.1　辐射和云过程 12

2.1.2　陆面过程 14

2.1.3　海洋过程 15

2.1.4　冰雪圈过程 15

2.1.5　大气化学过程 16

2.2　气候态、气候变化及时间尺度 17

2.2.1　气候态 17

2.2.2　气候变化及时间尺度 17

2.3　气候系统的反馈过程 20

2.3.1　基本概念和表示 20

2.3.2　举例 23

2.4　气候系统的外源强迫 24

2.5　气候的敏感性 24

2.6　气候可预报性的讨论 27

2.6.1　确定性论和概率论 27

2.6.2　外在随机因素和内在随机因素 27

2.6.3　导致长期预报不准确的因素 28

2.6.4　气候的可预报性 29

2.7　气候模式的参数化 31

2.8　气候模式的分类及其特点 33

2.8.1　能量平衡模式（EBM） 33

2.8.2　一维辐射—对流模式（1-DRC） 34

2.8.3　大气环流模式（GCM） 35

2.8.4　二维纬向平均动力模式 36

第三章　基本方程和定律 38

3.1　大气的基本方程组 38

3.1.1　运动方程 38

3.1.2　质量连续方程 40

3.1.3　热力学能量方程 40

3.1.4　湿大气状态方程和水汽方程 41

3.1.5　欧拉方程组 42

3.1.6　初始条件和边界条件 42

3.2　混合坐标系的原始方程 44

3.2.1　时间外推 44

3.2.2　s坐标系的原始方程 44

3.3　海洋运动的基本方程组 47

3.4　涡度方程 51

3.5　物理辐射定律 53

3.5.1　Planck定律和Stefan-Boltzmann定律 53

3.5.2　Wien位移定律和Kirchhoff定律 53

3.5.3　Beer-Bouger-Lambert吸收定律 54

3.5.4　Schwarzchild方程 54

3.6　地球表面辐射平衡和热量平衡方程 55

第四章　地球表面和大气的交换过程 59

4.1　地表的能量收支 59

4.1.1　理想地表的能通量 59

4.1.2　地表界面层的能量收支 60

4.2　行星边界层的稳定性 62

4.2.1　行星边界层的特性 62

4.2.2　稳定性效应 62

4.3　动量交换 63

4.3.1　梯度通量近似 63

4.3.2　混合长近似和风廓线 64

4.4　感热和水汽交换 68

4.4.1　感热交换 68

4.4.2　水汽交换和蒸发 69

4.5　行星边界层的模拟 72

4.5.1　行星边界层方程组的闭合 72

4.5.2　地表层的相似假设 74

4.5.3　边界层的参数化处理 76

4.5.4　表面Rossby数相似性及阻尼定律 78

第五章　能量 82

5.1　能量的基本方程 82

5.2　能量的平均气候方程 85

5.2.1　时间平均和空间平均 85

5.2.2　气候方程 86

5.2.3　体积积分 88

5.2.4　全球平均气候方程 89

5.3　能量平衡的观测 90

5.3.1　非绝热加热 90

5.3.2　大气层的能量 92

5.3.3　大气能量的传输 93

5.4　海洋能量的传输 104

5.4.1　海洋里的能量 104

5.4.2　海洋能量的传播 105

5.5　气候系统能量平衡的合成 108

第六章　海—气热机与海洋过程 113

6.1　有效能 113

6.1.1　大气的有效能 113

6.1.2　海洋能量的有效值 115

6.2　动能和有效位能的平衡方程 116

6.2.1　平衡方程的推导 116

6.2.2　平均动能和涡动动能的平衡方程 118

6.2.3　平均有效位能和涡动有效位能的平衡方程 119

6.3　观测到的大气能量循环 120

6.4　海洋在气候变化中的重要性及其物理过程 124

6.5　海—气耦合 125

6.5.1　耦合机制 125

6.5.2　海—气相互作用的数值模拟 129

6.6　热带海洋与年际气候变化 130

6.6.1　ENSO现象及其物理模型 130

6.6.2　ENSO现象形成的理论 132

6.6.3　热带季风雨与海洋异常的关系 133

6.6.4　热带海洋对中纬度大气环流影响的事实和理论 134

第七章　大气化学及其气候效应 136

7.1　大气的组成和结构 136

7.1.1　大气成分浓度的表示 136

7.1.2　大气的组成 136

7.1.3　大气的结构 137

7.2　二氧化碳及其气候效应 139

7.2.1　CO2的自然循环 139

7.2.2 CO2的天然源和汇 140

7.2.3 CO2的人为源 141

7.2.4 大气CO2的浓度变化及其气候效应 141

7.2.5 研究CO2气候效应的数值模拟 143

7.3　一氧化碳和甲烷的浓度变化及其气候效应 44

7.3.1　一氧化碳的产生和转化 144

7.3.2　CO的气候效应 145

7.3.3　CH4的源和产生过程 146

7.3.4　CH4的气候效应 147

7.4　大气臭氧 148

7.4.1　对流层臭氧 148

7.4.2　平流层臭氧 150

7.4.3　模拟试验 153

7.4.4　南极臭氧洞 153

7.5　含卤素化合物 155

7.5.1　卤代烃 155

7.5.2　其他含氯化合物 156

7.5.3　氟化物 156

7.6　大气气溶胶 156

7.6.1　基本特性 157

7.6.2　气溶胶粒子的源与汇 159

7.6.3　气溶胶粒子的化学组成 160

7.6.4　气溶胶的气候效应 162

7.7　质量平衡方程和化学反应模式 164

7.7.1　化学反应速度方程 164

7.7.2　质量平衡方程 164

7.7.3　化学—热力学方程 165

7.7.4　化学反应模式 166

第二编　模式及其应用 171

第八章　能量平衡模式 171

8.1　零维能量平衡模式 171

8.1.1　Fraedrich模式 171

8.1.2　平衡态及突变约束条件 172

8.1.3　Budyko模式 173

8.1.4　Budyko模式的敏感性试验 173

8.1.5　Budyko模式对周期扰动的？应 173

8.2　简单海—气耦合模式 174

8.2.1　模式的建立 174

8.2.2　非线性稳定分析 176

8.2.3　非线性扰动方程的紊动性态 177

8.3　一维能量平衡模式 181

8.3.1　North非线性模式 181

8.3.2　无冰冠气候的研究 182

8.3.3　有冰冠气候的研究 182

8.3.4　变系数扩散模式的定态解 184

8.3.5　稳定性分析 184

8.4　熵平衡方程 186

8.4.1　熵产生和超熵产生 186

8.4.2　North模式的熵产生 187

8.4.3　超熵产生作为气候突变的判据 189

8.5　一维海—气耦合模式 190

8.5.1　模式的建立 191

8.5.2　超熵产生和气候突变判据 192

3.5.3　结论 194

8.6　Paltridge一维模式 194

8.6.1　纬带物理模型 194

8.6.2　参数值的取值 196

8.6.3　最小熵交换原理及其应用 197

8.7　二维能量平衡模式 200

8.7.1　North模式 200

8.7.2　二维季变能量平衡模式 200

8.8　海温—气温—大气湿度耦合模式 203

8.8.1　水汽方程 204

8.8.2　海—气能量守恒方程 205

第九章　随机气候模式 208

9.1　Fokker-Planck方程 208

9.1.1　Langevin方程 208

9.1.2　生灭过程的Fokker-Planck方程 209

9.1.3　连续迁移的Fokker-Planck方程 209

9.1.4　线性Fokker-Planck方程的解 210

9.2　Hasselmann随机气候模式 211

9.2.1　模式的提出 212

9.2.2　随机模式的输入响应 213

9.2.3　Fokker-Planck方程的引入 214

9.3　零维随机气候模式 216

9.3.1　Nicolis模式 216

9.3.2　非线性零维随机气候模式 218

9.4　一维随机气候模式 221

9.4.1　一维随机气候模式的建立 221

9.4.2　关于T0概率密度分布及其讨论 222

9.4.3　最可几态温度与时间和纬度的关系 226

9.5　二维随机气候模式 227

9.6　海—气耦合随机模式 231

第十章　辐射—对流模式 237

10.1　辐射平衡模式 237

10.1.1　Emden辐射平衡模式 237

10.1.2　Kibel辐射湍流能量平衡模式 238

10.2　对流模式 239

10.2.1　纯对流的平衡约束 289

10.2.2　Lorenz系统 241

10.3　Manabe辐射—对流模式 243

10.3.1　对流调整热平衡 243

10.3.2　云天辐射温度的变化 245

10.3.3　太阳辐射的吸收 247

10.4　二维纯辐射—对流模式 248

10.5　具有动力影响的二维辐射—对流模式 256

10.6　辐射—对流—化学模式 258

第十一章　纬向平均气候模式（ZACM） 261

11.1　ZACM在气候模式中的地位 261

11.2　ZACM设计的基本原理 262

11.2.1　空间离散和时间差分方案 262

11.2.2　模式动力学方程组 263

11.2.3　纬向对称环流 264

11.2.4　涡旋项的参数化处理 266

11.2.5　非绝热加热和边界强迫 271

11.3　纬向平均气候场模拟的示例 272

11.3.1　LSDM简介 272

11.3.2　LSDM性能 274

11.4　纬向平均气候模式的应用 279

11.4.1　模式敏感性研究 279

11.4.2　表面特性变化的气候效应 279

11.4.3　大气气溶胶的气候效应 280

第十二章　大气环流模式 281

12.1　大气环流模式发展简史 281

12.2　大气环流模式动力学框架及其离散化 282

12.2.1 控制方程组 282

12.2.2　垂直离散 283

12.2.3　水平离散 285

12.2.4　有效的时间积分方案 287

12.3　气候模拟现状 287

12.3.1　纬向平均温度 288

12.3.2　平均纬向风 288

12.3.3　平均经向风 290

12.3.4　纬向平均垂直速度 290

12.3.5　近地层气温的地理分布 291

12.3.6　海平面气压的地理分布 291

12.3.7　300hPa纬向风的地理分布 292

12.3.8　降水的地理分布 293

12.3.9　模式之间的比较 295

12.4　气候敏感性试验 295

12.4.1　古气候模拟 295

12.4.2　赤道海温异常引起的气候响应 300

12.4.3　极冰异常引起的气候响应 303

12.4.4　CO2增加引起的气候效应 308

12.4.5　核战争可能引起的气候效应 310

12.5　短期气候预测 315

12.5.1　月预告试验 315

12.5.2　季度预测 317

参考文献 319