动力气象学引论

本书是由Holton教授和Hakim教授撰写的大气科学专业的经典教科书。本书全面、系统地阐述了动力气象学的基本概念和基本理论，从理论上深入探讨了大气环流、天气系统和其他大气运动的演变规律，还讨论了一些动力气象学领域的新进展。本书物理概念明晰，数学推导严谨，叙述准确明了，注重理论和实际的结合与联系。 本书既可作为高等院校大气科学专业及相关专业本科生和研究生的教材，又可作为气象、水文、海洋、环境等部门科研和业务人员的参考用书。

第1章 引言 1 1.1 动力气象学 1 1.2 动量守恒 3 1.3 非惯性参考系和视示力 7 1.4 静态大气的结构 14 1.5 运动学 18 1.6 尺度分析 19 推荐参考文献 20 习题 21 MATLAB练习题 22 第2章 基本守恒定律 24 2.1 全导数 24 2.2 旋转坐标系中动量方程的矢量形式 27 2.3 球坐标系中的分量方程 28 2.4 运动方程的尺度分析 31 2.5 连续方程 35 2.6 热力学方程 38 2.7 干空气热力学 41 2.8 布辛涅斯克近似 44 2.9 湿空气热力学 45 推荐参考文献 50 习题 50 MATLAB练习题 51 第3章 基本方程组的初步应用 52 3.1 p坐标系中的基本方程组 52 3.2 平衡流 54 3.3 轨迹和流线 61 3.4 热成风 63 3.5 垂直运动 66 3.6 地面气压倾向 68 习题 70 MATLAB练习题 72 第4章 环流、涡度和位涡 74 4.1 环流定理 74 4.2 涡度 78 4.3 涡度方程 81 4.4 位涡 85 4.5 浅水方程 89 4.6 等熵坐标系中的Ertel位涡 93 推荐参考文献 95 习题 96 MATLAB练习题 97 第5章 大气波动——线性扰动理论 99 5.1 微扰动方法 99 5.2 波动的属性 100 5.3 简单波动类型 106 5.4 重力惯性（浮力）波 112 5.5 旋转层结大气中的线性波动 116 5.6 地转适应 121 5.7 罗斯贝波 123 推荐参考文献 128 习题 128 MATLAB练习题 129 第6章 准地转分析 132 6.1 中纬度地区大气环流的观测结构 132 6.2 准地转方程组的推导 139 6.3 准地转方程组的位涡推导 141 6.4 位涡思想 144 6.5 垂直运动思想 153 6.6 斜压扰动的理想化模型 158 6.7 p坐标系中的准地转方程组 160 推荐参考文献 161 习题 162 MATLAB练习题 163 第7章 斜压发展 165 7.1 静力不稳定性 165 7.2 正交模斜压不稳定性：两层模式 167 7.3 斜压波能量学 175 7.4 连续层结大气的斜压不稳定性 182 7.5 中性波的增长和传播 190 推荐参考文献 195 习题 195 MATLAB练习题 196 第8章 行星边界层 198 8.1 大气湍流 198 8.2 湍流动能 200 8.3 行星边界层动量方程组 202 8.4 二级环流与旋转减弱 209 推荐参考文献 213 习题 213 MATLAB练习题 214 第9章 中尺度环流 216 9.1 中尺度环流的能量来源 216 9.2 锋和锋生 217 9.3 对称斜压不稳定 224 9.4 地形波 228 9.5 积云对流 234 9.6 对流风暴 237 9.7 飓风 242 推荐参考文献 249 习题 249 MATLAB练习题 250 第10章 大气环流 252 10.1 问题的本质 253 10.2 纬向平均环流 254 10.3 角动量收支 265 10.4 洛伦兹能量循环 270 10.5 时间平均气流的纬向变化 275 10.6 低频变化 279 10.7 大气环流的数值模拟 284 10.8 气候敏感性、反馈与不确定性 286 推荐参考文献 288 习题 289 MATLAB练习题 290 第11章 热带大气动力学 291 11.1 大尺度热带环流的观测结构 292 11.2 大尺度热带运动的尺度分析 303 11.3 凝结加热 307 11.4 赤道波动理论 309 11.5 稳定受迫赤道运动 314 推荐参考文献 315 习题 316 MATLAB练习题 317 第12章 中层大气动力学 319 12.1 中层大气的结构与环流 320 12.2 中层大气的纬向平均环流 322 12.3 垂直传播的行星波 330 12.4 平流层爆发性增温 332 12.5 赤道平流层中的波动 336 12.6 准两年振荡 341 12.7 示踪成分的输送 344 推荐参考文献 348 习题 348 MATLAB练习题 349 第13章 数值模拟与预报 351 13.1 历史背景 351 13.2 运动方程组的数值近似 352 13.3 正压涡度方程的有限差分形式 359 13.4 谱方法 361 13.5 原始方程模式 366 13.6 资料同化 368 13.7 可预报性与集合预报 373 推荐参考文献 377 习题 377 MATLAB练习题 378 附录A 常用的常数和参数 381 附录B 符号列表 382 附录C 矢量分析 386 附录D 湿度变量 389 附录E 标准大气数据 391 附录F 对称斜压振荡 393 附录G 条件概率与似然 394 参考文献 396

James R. Holton（詹姆斯 霍顿）美国华盛顿大气科学专业教授、动力气象领域知名专家，著作《动力气象学引论》作者。他在华盛顿大学执教38年，获得过大气科学领域几乎所有的知名奖项，是美国国家科学技术委员会的成员。为了纪念他，美国地球物理联合会还以他的名字命名了一个奖项―― James R. Holton奖。 段明铿，男，南京信息工程大学副教授，长期从事大气动力学和数值天气预报方面的研究，主要包括：（1）大气环流异常与区域气候变化；（2）大气随机动力学研究，主要围绕米兰科维奇天文气候理论，利用随机共振原理，使用理论气候模式，分析随机扰动在地球气候系统10万、4万和2万年周期变化中的作用。大气随机动力学是大气科学领域新的研究方向，目前国内外在这方面的研究才刚刚起步；（3）数值天气预报，侧重于集合预报有关研究，包括预报不一致性分析、集合预报产品研发，以及集合预报结果的检验和评价等。

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