这是《熵气象学》一书的引言

在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区

--N.维纳

 

熵气象学

引言

今天的气象科学已经是一项尖端科学了。这不仅仅是由于它有遍布全球的气象观测网、有专用的卫星、雷达和一流的计算机,而且还由于我们对大气的运动规律有了较准确的认识。今天的大范围的天气预告可以说主要是在计算机上应用已知的大气运动规律演算出来的。这些“规律”对我们预测未来起到了十分重要的作用。

究竟我们掌握了哪些关于大气的基本规律呢?经常得到的答案是:旋转坐标系中的流体运动方程、理想气体方程、连续方程和热力学第一定律等等。

由于对大气的基本规律的掌握程度直接关系着对天气和气候的预测能力,我们大胆地再问一句:除上述基本规律之外,是否还有某些十分重要而尚未发现的大气基本规律?

基于热力学第二定律(熵原理)作为物理学的基本规律已被广泛承认和应用,我们就可以更具体的问一下:熵的原理是否也是制约大气的基本规律?

在物理学中我们早已知道熵的原理是适用于一切物质系统的,因而它当然也适用于地球大气(顺便说一句,它也适用于海洋、水文、和地质……)。

沿着这个思路自然又引出了如下问题:

熵原理是如何制约着地球大气的运动的?

它在大气科学中的具体表现形式是什么?

这正是本书探讨的中心问题。

为了便于探讨以上问题,在书中还就与熵相关的概念、原理等等也做了介绍。本书的前六章就是由这些概念和原理的介绍以及它们是如何用于气象问题之中这两大部分构成的。

熵是人们素感神秘的概念。为了不从一开始就把人们引人迷雾之中,我们在第一章先不谈嫡,而是介绍统计物理中常用的分布函数的概念。在第二章我们从气象观测事实中揭示了过去鲜为人知的近30个气象分布函数。这些函数中多数都已找到了(从观测数据分布中)对应的解析式。这好似我们突然发现了一批制约任一瞬时的大气内在联系的经验方程。

这些丰富的感性知识不仅加深了我们对分布函数的理解,也在期待着有一种理论对它们能做出说明。

这样,我们在第三章介绍分布函数与熵的关系就显得熵概念来得自然也来得及时了。这种引入“熵”的办法可以说是借助信息论和统计物理的一种综合处理。

第四章简要地介绍了熵概念在气象上的某些应用。第五章则介绍熵原理。其中心点是最大熵原理。理解了它之后在第六章再把它用于说明第二章揭示的各个经验方程也就不必费太多的笔墨了。

我们知道动力学是一种普遍性的原理,它适用于任一时刻的任一物质质点。熵原理呢?它也是一种普遍性的原理,它也可用于任一时刻,不过它不是用于任一物质质点,而是任一物质系统。这里的差别在于用“系统”取代了单一的“质点”。而系统中至少要有两个质点,通常是系统中含有极其众多的质点。

因此在本书中我们会看到熵的原理总是应用于各种不尽相同的系统之中(由全球空气组成的大气、由全部雨滴组成的一场降水、由全部云滴组成的一片云……),得出不尽相同的具体规律。这与力学原理应用于受力不尽相同的质点从而得出不尽相同的运动规律在原则上有同构性。

由此看来,把熵的原理用于气象学中的“系统”时,得出的具体规律远不止一个,而会是多个。可它们又都是针对“系统”的新类型(有别于动力学)的规律。就精确度而言,它们并不低于动力学关系。它们与动力学关系既不矛盾又不互相从属。

认识了熵原理制约大气的具体形式当然有助于我们把数值天气预告做得更好,也有助于控制气候的变迁。在第七章我们除小结前六章的成果之外,对此也作初步讨论。