[科普中国]-大气热力学

定义

大气热力学是应用热力学原理研究大气热力学过程的一门学科，是大气物理学的一个分支。1

研究历史现代气象学始于对大气观测的天气分析，即对天气图的分析以及据此对未来天气的预报；另一方面，则是应用力学来试图解释所发现的天气现象。于是，在20世纪初期开始了大气动力学研究，如运用流体力学发展了环流理论；20世纪30年代，应用波动力学发现了Rossby波，开创了地球物理流体力学；20世纪50年代初，实现了基于正压模式的数值天气预报，因此动力学在大气科学一直处于主导地位2。20世纪80年代以来，大气非线性动力学研究取得了重大进展,而非线性热力学进展却不那么显著，滞后于前者。同时，大气非线性动力学与非线性热力学利用不同的理论体系和方法进行研究，各自独立地发展着，很少涉及其间的联系。

大气热力学在20世纪70年代以前其基础是经典热力学，而且仅视为大气动力学的一个补充，如40年代的热成风发展理论，提出了热成风概念及其力学表达；与此同时在位温、假相当位温等概念的基础上发展了热力学图表，供天气预报实践使用。20世纪70年代以来，物理学在热力学方面取得了突破性进展，Prigogine等提出了耗散结构的概念和理论，形成布鲁塞尔学派,并因此获得了诺贝尔奖,这也推动了大气热力学的发展。例如发展了大气系统的熵平衡理论和热力学熵模式，探讨了大气中的自组织现象。提出了全球气候是一种最小熵交换系统的概念，由此构造全球模式对现在气候进行了模拟。耗散结构是指当系统处于远离平衡态时，通过系统与外界进行能量和物质交换而形成且维持的一种由非线性机制产生的有序结构，即在非平衡态下宏观系统的自组织现象。台风、龙卷风无疑是一种耗散结构，因为必须不断从周围环境中吸取能量才能生存和发展。封国林等运用观测资料分析表明，它们还是一种自组织临界态系统3。

20世纪80年代起，随着气候和全球变化研究的进展，热力学被放到越来越重要的位置上，因为热力学因子对大气和地球系统的长期行为更为重要。这样研究大气的非平衡态热力学尤显得迫切，在这期间获得了若干重要学术成果，文献4对此作了评述。

热学中发展的非平衡态热力学是对物理和化学现象的研究成果，可以认为这些现象是实验室尺度的物理和化学现象，他们所研究的热力系统是以分子为基本粒子的宏观系统，其耗散过程是分子粘性效应。而大气热力系统是空气微团组成的地球尺度的宏观系统,其耗散过程是湍流粘性效应，并受重力场和柯氏力等动力因子和热力层结的热力因子控制。因此,发展适合大气固有特征的热力学,把物理、化学中的非平衡态热力学应用到大气科学中,是学科发展迫切要求的5。由于两者的控制方程和系统特征不同,因此这是一项极具有挑战性的科学研究。

在大气科学中，表达热力学第一定律的方程是构建数值模式的基本方程，而热力学第二定律在大气力学中似乎不占重要地位。实际上热力学第二定律表示了一个方向矢，即系统的热力过程是不可逆的，表示了系统运动的时间趋向,具有重要的物理内涵。基于热力学第二定律，可以在数值计算中构造合理的差分格式,研究表明,这种具有物理含义的差分格式确能提高天气预报准确率。从熵平衡观点来研究气候系统始于20世纪80年代,90年代取得了新的进展。如研究气候常定态时的熵产生，根据卫星观测资料计算源于短波辐射和长波辐射的熵通量。用简单垂直灰模型研究气候平衡态的结果表明,地球气候存在一个唯一的气温分布和对流-辐射通量分布，它代表了一个最大熵增态,而这一分布类似于现在气候。这表示，现在大气热通量的全球平均态以及另一些行星的现有状态,是以其可能最大速率的熵增方式达到稳定的6。

目前，已出版的大气热力学专著几乎都基于经典力学的范畴。关于非平衡态热力学在大气科学中应用的研究已取得了若干进展，如研究大气中各种系统的熵平衡,研究大气中的耗散结构等；大气系统以及大气中的子系统,如温带气旋、热带气候、锋区等，都处于非热力平衡态，具有耗散结构特征,文献[18]对大气中的耗散结构进行了系统的论述。20世纪90年代以来,国内外大气科学领域对大气熵理论、求解热力学方程的福克-普朗克(Fokker-Planck)途径等方面都进行了有成效的研究,丰富了非线性大气热力学。把动力变量和动力方程变换为熵表达形式,也已有这方面的尝试，其思路是直接把动力变量类比地看作为一个温度变量来定义熵函数;这与导出式(1)的思路和步骤是不同的。大气的外来能量主要源于太阳辐射，少量通过火山爆发等来自地核，因此，大气过程是一种不可逆过程,对此人们已进行了理论和模式研究，其中包括运用简单模式和全球模式进行的对热响应、热惯性、热耗散和非线性过程等问题的研究。6

研究展望由于对大气的热力学作用和热力过程了解还不够，大气非平衡态热力学理论研究也处在初创期，任重而道远。1970年代以来，已尝试从热力熵理论来建立气候系统模式，这样有可能不必在模式中涉及所有尺度上的物理过程而建模。但从热力-动力熵理论来发展大气数值模式更具有吸引力，因为大气的动力过程对描写大气运动是非常重要的。6