由Holton教授和Hakim教授编著的《动力气象学引论》是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，同时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，注重理论与实际的结合与联系。 本书既可以作为高等院校大气科学专业及相关专业的本科生和研究生教材，也可作为气象、水文、海洋、环境等部门科研和业务人员的参考用书。

前言 霍尔顿先生修订本书第四版时，我是以个人最熟悉领域顾问的身份参与的。在修订接近尾声时，霍尔顿先生问我是否愿意以合著者的身份参加下一版的修订。尽管我很珍惜这次难得的机遇，并期待进一步合作，但随着霍尔顿先生在2004年3月3日去世，却再也没有机会了。他的突然离世冲击着对他的影响力怎么描述都不为过的动力气象学界。他在这一领域的影响就包括这本关于动力气象学的书籍，它已经成为几代大气科学及相关学科学生，以及从业者的专业标准教材。没有霍尔顿先生的指导，要对其进行修订是非常困难的，但现实情况也给了我们一个机会从全新的角度去审视那些已经过时的内容，毕竟这些内容可以追溯到20世纪60年代在麻省理工学院授课时的讲义。 这本书服务于三个群体：大气科学专业的本科生和研究生、气象领域的从业者，以及与物理科学有关，希望对本书主题有明确的、可接受的概括性了解的人。在本书的修订过程中，作为一个学生和一名教师，我设法充分利用我自己的经验来精简和更新文本内容，以满足上述人群的需要。主要的结构变化包括第5章（波动和扰动方法，之前的第7章）、第7章（斜压发展，之前的第8章）、第8章（湍流和行星边界层，之前的第5章）。目前本书的内容从核心概念的概述（第1～4章）出发，到理解应用核心概念所需的方法（第5章），再到对温带天气系统的理解（第6和第7章），最后几章则是对若干主题的深入探讨。 本书除了若干小的改动，还有如下实质性修订：第1章对关于粘性效应和非惯性参考系的内容进行了精简，并增加了一节关于运动学的内容。第2章增加了布辛涅斯克近似和湿空气热力学的内容，这些内容会在本书后面若干章节使用。第4章给出了对位涡（PV）的进一步分析，包括Ertel位涡（开尔文环流定理的特殊情况）的推导、非保守作用的讨论，以及利用位涡构建动力学对流层顶分布图的示例。此外，还借助位涡推导了后面章节大量使用的正压浅水方程。第5章将基本波动的讨论拓展到了三维，并给出了求解波动问题的总体策略。讨论了浅水和静止层结大气中的定常罗斯贝波解，为读者更深入理解下一章的准地转近似奠定了基础。 对第6章进行了大幅度的改写，从Ertel位涡守恒方程出发，用一个新颖简单的办法推导出了准地转方程。与之前的版本相比，这里使用的是标准高度坐标，这样就可以把读者从与p坐标系有关的思维训练中解放出来。还提供了一个准地转模式的MATLAB代码和一个诊断程序包，允许读者来模拟和诊断温带天气系统，且这些代码可以很容易地移植到不同的大气模态。第7章讨论的是斜压发展，具体的处理大致与之前的版本相同，但对“广义的稳定性”有更丰富的讨论。第9章新增了关于飓风的最新研究成果，包括对潜在强度理论的完整推导和讨论。第10章新增了一节针对气候敏感性和气候反馈的综述，这也是学术界越来越感兴趣的内容。最后，第13章新增了资料同化的数学处理，从标量的简单实例发展到了多变量。此外，还讨论了卡尔曼滤波、变分技术（3DVAR和4DVAR）和集合卡尔曼滤波。新增了一节回顾可预报性和集合预报的内容，包括刘维尔方程，以及关于集合预报理论的初步结果。其他关于本书及教学辅助工具的信息可以参考网址http://booksite.elsevier.com/97801 23848666（译者注：网址已更新）。 感谢Margaret Holton在本人承担这项工作过程中给予的支持。感谢Dale Durran和Cecilia Bitz为本书第四版维护的高质量勘误表，这对于本次修订是很有帮助的。感谢以下各位对各章节早期草稿提出的意见和建议：Hanin Binder、Bonnie Brown、Dale Durran、Luke Madaus、Max Menchaca、Dave Nolan、Ryan Torn和Mike Wallace。尽管如此，错误依然在所难免，如您发现任何错误请发邮件至holton.hakim@gmail.com。 Greg Hakim 西雅图，华盛顿州

目 录 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 2.9.1 相当位温 46 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（W）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 271 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 289 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 329 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 391

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