前言
热力学过程是大气和海洋所固有的。风和洋流它们的存在是由于太阳对地球表面和空气的不同加热所引起的热力学不平衡。地球上的热力学过程特别有趣和具有挑战性，因为它的气候接近地球raybet雷竞技最新水的三重点．大气中水的相的变化导致了云的形成和降水。与相变相关的是潜热的释放和大气辐射转移的改变。高纬度海水的冻结和融化深刻地影响着辐射的交换，感，和潜热在大气和海洋之间。在海洋和/或大气的任何预测模型中，计算大气和海洋内部(以及大气和海洋之间)的热交换是至关重要的。大气和海洋中的热力学反馈过程对于理解地球气候和气候变化的整体稳定性至关重要。raybet雷竞技最新
通常情况下,大气热力学在动力气象学教科书中只出现过一到两章，大气物理学或云物理学。有两本现代教科书完全致力于大气热力学的各个方面:Iribarne和Godson的《大气热力学》和Bohren和Albrecht的《大气热力学》。海洋热力学在海洋学文本中得到较少的强调，尽管这一主题在一些化学海洋学文本中得到了更实质性的处理。在现代海洋学教科书中，海冰几乎没有被提及。目前的文本扩展了大气和海洋热力学的主题，大大超出了这些先前的处理，整合了大气，海洋和冰冻圈热力学的处理。
吉尔的《大气-海洋动力学》一书首次对大气和海洋的大尺度动力学提出了统一的处理方法。本着同样的精神，《大气和海洋热力学》为大气和海洋热力学提供了系统和统一的方法，并建立了这些学科之间的相互关系。大气和海洋在许多重要的热力学过程上有共同之处，同时考虑大气和海洋的热力学丰富了我们对两者的理解。统一处理大气和海洋热力学的一个令人信服的理由是，从预报恶劣天气(如飓风)到了解从年际到千年或更长时间的时间尺度上的气候变化，空气-海洋相互作用的重要性。raybet雷竞技最新写这篇文章的一个主要动机是我们在过去几十年里参与了世界气候研究raybet雷竞技最新计划以及相关的美国项目，以及需要对大气、海洋和冰冻圈中涉及能源和水交换的过程在大范围时间尺度上进行统一处理。
《大气与海洋热力学》是由科罗拉多大学自1993年以来开设的同名课程演变而来的，当时的班级既有研究生，也有高年级本科生。本书旨在作为大气科学和/或海洋学学生的入门研究生课程的文本。本书面向物理、化学、数学或工程等不同背景的学生。具有类似背景的高级水平的本科生也应该发现这是一本合适的文本。研究人员会发现这本书很有用，不仅因为它系统地处理了大气、海洋和冰冻圈的热力学，而且因为附录中的许多图表、公式和表格。
文本的第一部分发展经典热力学的基本概念。统计热力学以启发式的方式提出，以发展对各种热力学状态函数和过程的概念理解。主题的选择集中于建立在后续章节处理的具体热力学应用的基础。第一章，组分和垂直热力学大气结构和海洋被描述。建立了大气和海洋的状态方程，包括引力场中的状态方程。第二章回顾了热力学第一定律和第二定律，包括在理想气体中的应用。第三章介绍了时变热力学和热交换过程。第四章主要讨论水的热力学，包括相平衡。描述了水溶液的物理化学，具体应用于理解海水和海冰的依数性质。第5章描述了凝结相的成核和扩散生长，具体应用于云粒子和海冰。
第二部分介绍了在第一部分中提出的基本概念在大气和海洋中的具体过程中的应用，包括云的形成、海洋中的热盐过程和海冰中的传热。本文提供了代表地球热力学极端的两个区域的例子，特别是热带海洋“暖池”和北冰洋。第6章描述了潮湿的大气过程，第8章将云的物理特征与这些过程联系起来。第7章论述了大气和海洋的静力学和稳定性，而第9章则介绍了海洋表面的空气/海洋相互作用浮力通量．第10章描述了与海冰生长和消融的年度周期相关的热力学过程，以及季节性雪和冰川冰的热力学。第11章将热力学和静力学的概念应用于海洋热盐过程。
第三部分阐述了热力学在全球气候和行星大气中的作用。raybet雷竞技最新介绍了热力学与辐射传递和大尺度动力学的界面。第12章介绍了大气和海洋热力学的全球观点，包括全球尺度的热传输和全球海洋和大气中的水文循环。第13章扩展了第二部分的应用，以解决气候系统中的热力学反馈，包括那些涉及云、雪和海冰，以及海洋热盐环流。raybet雷竞技最新热力学对行星大气的应用将在第14章中介绍，提供了地球热力学性质和过程的更广泛的视角和背景。
每章末尾的注释列出了一些相关书籍和评论文章，为读者提供了进一步研究的起点。文中的个别引用仅用于引用我们在图表和表格中使用的特定数据，我们已获得版权许可复制的图表，以及公式或经验关系，这些公式或经验关系不是轻易从文本中的原则中推导出来的，或者是相对较新的，不常用的。没有人试图就这个问题提供一份全面的参考书目。
本章末尾的问题旨在加强每章所阐述的原则，并扩展学生对主题的理解。这些问题在本质上从实用到说教，从简单到具有挑战性。有些问题用数字来解决是最好的，尽管这些问题在文中没有这样说明，因为我们相信研究生需要实际经验来确定解决问题的最佳方法。所选问题的答案在附录之后提供。
本课程强调在基本物理和化学原理的背景下进行理解，同时为实践科学家或工程师提供有用的工具。因此，这种方法既是描述性的，也是演绎的。为了开发简单的概念模型，牺牲了形式推导的优雅性原理图．热力学的数学，特别是微分和下标偏微分，是很麻烦的，并且仍然是相当有争议的主题。由于麦克斯韦关系的应用非常复杂，特别是在海洋的情况下，为了清晰起见，我们没有对一些作者提出的传统数学和符号进行简化。将大气科学和海洋科学结合起来，对设计一个符号系统提出了重大挑战。这两个字段通常对相同的变量使用不同的表示法，或者对不同的变量使用相同的表示法。我们已经尽了一切努力来开发一个与每个字段一致且不可重复的逻辑符号方案。不幸的是，没有足够的字母和字体来完全满足这两个要求。附录A详细描述了这种符号。
选修了科罗拉多大学大气与海洋热力学课程的学生之前已经选修了热力学课程(例如，工程热力学，统计热力学，物理化学)。由于学生之前在热力学方面的背景知识，我们已经能够在一个学期的课程中涵盖第一部分和第二部分以及第12.1节的所有材料，其中一章是从第三部分中选择的。由于许多大气科学系教授大气热力学本科课程或研究生课程的学生之前很少有热力学的背景，这本书的设计是为了它也可以用于这些课程。一个本科学期的大气热力学课程可能会深入覆盖第1、2、3、4、6和7章，省略了1.2、1.8、1.9、2.11和4.6节，这些章节涉及海洋学中的特定主题。因此，在使用这本书作为文本时，有相当大的灵活性。
朱迪斯·柯里·彼得·韦伯斯特
博尔德，科罗拉多州，1998年8月
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