大气科学难(重要)题之一:熵气象学问题(初稿)

horizontal rule

 
题目:熵气象与气象分布函数研究
 
对题目的说明:
1.      气象分布函数研究不仅包括过去研究的各种气象要素的概率分布函数、各种云、降水物的“滴谱分布”,也包括例如同一时刻的全球大气中不同压力(温度、湿度、风速、风向、位温、能量、角动量…)的空气各有多少,或者降水现象中不同深度的降水各占多少面积,不同强度的降水各占多少时间,无雨区占天气图的相对面积等大量新的函数。它们是认识大气特征的重要侧面。
2.      熵气象研究包括把上述各种分布函数与熵联系起来,再配合约束条件,利用最大熵原理,从理论上说明为什么大气变量符合这类分布函数,以及如何把它们与气象学的理论方程组联合起来求解大气的变化规律等
 
科学意义:
熵概念和热力学第二定律是自然科学的基本概念和基本规律。20世纪它们又与信息熵、分布函数、最大信息熵原理联系了起来。其应用领域又有新的扩充。
20世纪的气象学把牛顿力学、热力学第1定律、气体状态方程、连续方程这6个方程联立起来用于气象状态的预报并且取得初步成功。但是也由于上述6个方程实际上涉及了风的3个分量(u,v,w)、压力p、温度T、密度ρ以及外界给予空气块的热量Q这7个变量(方程数量少于变量数量)。所以在具体使用时不得不做一些不大符合实际的假设(如绝热假设),从而使它预报能力受到限制。而这个方程组里并没有热力学第二定律的地位。鉴于热力学第二定律在自然科学中的基础地位,把它准确、有效、巧妙的用于气象学的理论园地,就可能是气象理论的新突破。
1991年丑纪范院士为《熵气象学》(张学文,马力,气象出版社)而写的序言中认为:这些全新的学术思想是非常值得重视的,这一方向性的有益探索无疑有着深远的意义
 
问题产生背景:
       笔者在60-70年代做预报员时自学信息论、熵概念,结合气象问题写成《气象预告问题的信息分析》(科学出版社),这不仅把信息熵概念系统的引入天气、气候和天气预告领域,也使自己踏上了把分布函数-熵-熵原理用于气象学的不归路。
 
进展:
1981年笔者在暴雨的维持时间、笼罩面积和深度研究中提炼出一类“分布函数”概念去概括它们,并且把统计力学中的玻尔兹曼统计引入气象学。而这与“最大熵”是一个问题的两种提法。在明确了用分布函数概念可以概括很多气象上的一般问题以后,在自然科学基金会的支持下开展的“熵对气象要素分布的约束”研究中我们写成《熵气象学》(1992,与马力合作)一书,它提炼了大约30种气象上的分布函数,并且对一部分分布函数用最大熵原理给予理论说明。这使熵气象学研究迈出了最初的一步。丑纪范院士为“他们的钻研本身已足以使人振奋。使我们觉得在主导的思潮之外,依然可以另辟蹊径,独树一帜。
笔者退休以后对持续20多年的努力又做了概括,2003年写成《组成论》一书概括的气象分布函数已经扩展到大约50个。我们发表的有熵气象和分布函数的文章大约有60篇( http://xjqxsc.idm.cn/zhangxw%20web/index.htm )。
 
难点:
笔者认为本研究有理论难度(涉及统计力学、理论气象学、热力学、概率论知识在深层次上的融合)。鉴于我们已经迈出了第一步,如果进展顺利,就可能建立一个重要的科学分科。目前的核心环节是唤起学术界的重视、支持和组织适当的力量。笔者认为中国人有力量和条件创立这个研究领域。
 
提交者姓名:张学文(研究员)
单位:乌鲁木齐沙漠气象研究所,中国气象局,830002
初稿写成时间:2007-10-31
 
本文引用地址:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=10090