大气中的耗散结构与对流运动

本文论证熵平衡方程可用来判断大气中对流和降水的发生,非线性热力学理论中的超熵产生可用来判断天气系统的产生.     

“大气中的耗散结构与对流运动”一文商榷

《大气科学》1992年第1期发表了钱维宏同志的文章“大气中的耗散结构与对流运动”(下称钱文),我们认为有值得商榷的地方,现提出来与学者们讨论。 1.钱文说:“作者认为,在现有的应用中至少存在两方面的问题。首先,文[1]或[2]的熵平衡方程是在非平衡线性区内导出的。”这是一个误解。所谓熵平衡方程是     

大气的统计观——大气统计函数与熵守恒猜想

本文从统计物理学角度分析了气象学基本问题。指出气象学中的大气微团等元量可与统计物理中的基本研究对象粒子相对应。因而统计物理中的概念、方法和规律可以移植到气象学中来。文中定义了大气分布函数和大气的H函数,还研究了大气能量分布律和大气熵。文中综述了熵极值原理在气象上的应用并提出大气熵守恒猜想。最后指出如这一猜想被证实,则可以使中短期的数值天气预告的准确率明显提高。     

大气系统中的熵

本文以质量和能量守恒定律及局域平衡假设为依据,定义了相变亲合势,导出了大气系统的熵演化方程。     

台风暴雨大气熵变场的诊断和对比分析

本文借助于熵平衡方程，对两个深入内陆的台风暴雨过程在负熵流作用下的减熵运动进行了诊断和对比分析，得到了以下结果:（1）台风大范围暴雨和强的负熵变相对应，因此可比常规方法较好地分辨出暴雨落区；（2）负熵变的汇合能够清楚地反映出中、低纬度天气系统的相互作用，为特大暴雨和台风远距离影响的特大暴雨的出现提供先兆；（3）本文导出的熵密度变化方程可以阐明，雨区内系统的发生、发展是和降水导致熵减小的物理过程相联系的；（4）大气熵辐散，特别是中、高层的熵辐散，对暴雨发生和持续的作用，不仅和潜热加热同样重要，甚至更有决定性意义。     

大气密度方程

通过一个思想实验把大气密度的时空分布函数与一个概率分布函数联系了起来,又利用最大熵原理导出了一个新的全球大气的方程,即大气密度方程。文章给出了它的通解并指出等温大气的压力高度公式是它的一个特解。对这个新的理论思路,新的方程和它的应用潜力作了初步讨论。     

多维约化摄动和大气中的非线性波

本文把一维约化摄动法推广到多维的情形.指出此方法是研究大气中非线性波传播和相互作用的有利工具.并通过求解Cubic-Schrodinger方程,来说明此方法在气象问题中的具体应用.     

·简介·第三届全国统计物理在气象上应用学术讨论会

在中国气象学会天气专业委员会、新疆气象局和河南省气象局共同主持召开的“全国统计物理在气象上应用学术讨论会议上,收到论文38篇,大多数论文都在会会上作了交流.现将这些论文的主要内容作一简要介绍. 一、耗散结构理论的应用熵平衡方程的建立为我们提供了一个计算变熵场的可能途径.人们对于不同情况,采用不同形式的简化熵平衡方程.计算变熵场,找出变熵场与天气演变的关系.例如用     

一个讨论大气环流季节变化和长期预报的流体力学模式

本文将流体动力学、热力学方程与辐射传递方程联结起来建立一个更合理的长期预报数值模式.在模式中除了考虑摩擦和湍流的作用外,辐射作用不是给定的分布,而是在大气运动的过程中相互调整.根据所建立的预报方程组,提出了两种适于積分的具体形式:两层斜压模式和三度空间问题的形式.     

大气中的水汽滞留函数

水分从蒸发进入大气到变成雨雪再降落大约在空中滞留(存活)9天,而9天只是水汽在大气中的平均寿命。我们应当知道在大气里现存的总水汽量中已经在大气里滞留(存活)1天、2天或者n天的水汽分别占有的百分比是多少。描述这个问题需要引入大气中的水汽滞留函数概念。本文阐明了水汽滞留函数的物理含义并且指出它应当是一个负指数方程。     

遥感大气温度层结中的反演问题

遥感大气层结的反演要解第一类Fredholm积分方程。为了能得到满意的结果,对于所要解决的问题必须作充分的物理分析,根据这些分析对于方程提出制约,由此得到有效的答案。本文讨论地面微波遥感测温的反演问题。首先分析作为遥感基础的大气噪音,进而讨论遥感大气温度层结的反演方法、测温实践结果以及存在的问题。     

熵流与大气系统的演变

熵流是大气耗散结构理论的核心概念。作者从强天气现象观测事实分析与理论研究两个方面入手，讨论了熵流与大气系统演变的关系。前者主要涉及美国近50年龙卷、雷暴大风和冰雹事件的时间演变，后者从Gibbs关系出发导得熵平衡方程，并对一个强天气系统台风麦莎（2005）进行熵流分析，从而揭示出熵作为一个热力学无序度的度量对大气系统的适用性。研究显示，负熵流有助于大气系统的发展，而大气圈作为一个整体将朝着愈益背离平衡态的高度组织化的方向演变。     

大气的热力学总熵

在考虑了大气各化学成分的熵、扩散弓:起的熵增加和位温在大气中的分布以后,求得全球大气总熵为3.56×10~(22)J/K.本文给出从位温求熵的新公式,还发现不同位温占有的大气质量遵守概率论中的Gamma分布. 本文还就热力学熵与信息熵的关系作了有启发意义的讨论.     

对流层大气的负熵流和熵产生

将原始熵平衡方程应用于大气系统，详细计算了对流层大气平均状态下的负熵流和熵产生及其各项分量，得出了它们之间的一些数量关系，并应用熵理论初步解释了大气运动的某些规律，对于天气预报和气候变化的研究具有一定参考意义。     

全球大气位温的两个不等价约束及其服从Gamma分布的证明

本文对全球大气位温积分守恒和热力学总熵守恒的物理含义及其不等价性进行了讨论。认为，作为对大气热力学状态较完整的描述，应将大气热力学总熵守恒这一约束条件补入数值预报模式中去。利用最大熵原理和上述两个约束条件，在理论上对大气位温服从Gamma分布这一从实际资料中揭示出来的事实进行了证明，得到了理论与实际完全吻合的结果。     

大气中的浑沌运动

1963年,著名气象学家洛伦茨在进行热对流的数值计算时,发现在确定性的微分方程组中,当控制参数变化到某一临界值时,方程的数值解就会有非周期的混乱结果.1971年Rulle和Takens把耗散系统中出现的这种非周期流称为奇怪吸引子或浑沌.自此以后,关于浑沌问题的研究日益增多.通过计算或实验,人们发现很多问题中存在浑沌运动.现在全世界至少有几千名学者热衷于浑沌理论.人们期望对浑沌理论的探讨将有助于揭开宇宙中的许多秘密.     

广义坐标素η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（ｚ）,气压坐标（ｐ）或等熵坐标（θ）时的具体表达式,结果表明,同此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致,并表得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

三维可压缩大气中的云尺度模式

我们设计了一个三维云尺度模式,它的控制方程由二部分组成:一是Euler式的可压缩运动方程,连续方程,压力变化方程及热力学方程;二是Lagrange式的云-降水微物理方程组。由于声波的存在对各个方程积分过程的影响程度不同,运用了时间分离方法。网格结构设计了二种:一般的和交叉的,并分别采用了松野积分方案和半隐式积分方案。模式经过严格的调试以后,进行了多个个例模拟研究,表明模式是稳定的,给出了合理的三维对流的发展图象,不仅模拟出垂直对流环流,而且模拟出对应的水平涡坏。利用该模式,研究了水平涡坏的形成和发展对云内下沉气流激发的影响和作用。     

大气短波辐射传输研究中的辐射函数

研究大气短波辐射传输问题时,必需考虑多次散射,在计算各次散射光的递推方程中存在一个对光学厚度的特殊积分.为此,本文定义了“辐射函数”,并研究了它的数学性质,从而使得平面平行大气中散射光的逐次计算既准确又简便.     

熵定律与大气动力学

本文着重讨论了热力学第二定律和大气动力学及数值预报模式的关系问题,探讨了将熵理论应用于大气科学的可能途径.