拾贝8 熵气象学

 

概念:提出一个新的研究领域:熵气象学 Entropy Meteorology (也是书名)

定义:在气象理论领域,从分布函数和熵的角度研究气象科学的知识体系

意义20世纪建立起来的气象科学理论体现是以牛顿力学为主,配合一些热力学知识而形成的。熵气象学在这个知识体系之外,开辟了新的理论视野:以分布问题和熵概念、熵原理作为基础展开气象学理论研究。在气象知识中,关于“分布”的知识很多。如气压、温度、风力等气象要素的空间、时间、概率分布;云、雨、雹、雪中不同大小的水颗粒的分布都是。气象预告问题也是预告气象要素在未来时刻的空间分布。熵是分布函数的泛函数(知道了分布函数就可以通过一个公式计算出它对应的熵的数值,其含义是该系统的复杂程度)。对具有随机性的客观事物--如大气,各种分布函数对应的熵值(复杂程度)都自动达到力所能及的最大值(熵原理,最复杂原理)。利用这个原理有时可以反求理论分布函数。这样一个理论思路原则上可以用到气象学中的各个分布函数上。从而得到很多理论分布函数。熵气象学开辟了气象现象联系气象理论的新途径。

发现过程:我从1953年开始学习气象,当气象预告员多年,20世纪60年代学习信息理论并且努力联系气象预告问题。1980年在廖树生同志把统计力学思路用于降水量分析的基础上看到了分布函数和熵概念熵原理是一套新的认识气象现象的理论武器。此后历10年的努力在马力和马淑红等很多同志的协同努力下,发表了多篇文章,与马力合著的《熵气象学》。形成了这个理论知识的初步框架。

成果形式:

《熵气象学》一书(1992,气象出版社,计七章,14万字,印850册,32开本,定价5.4元。这20多年发表了多篇有关文章,重要的10篇如:

暴雨的时面深理论(新疆气象,1981,12期,16-24)
风的分布律(新疆气象,1983,1期,1-8)
相对分布函数和气象熵(气象学报,44卷,2期,214-219,1986)
大气比湿分布律(气象学报,45卷,2期,251-253,1987)
大气的能量谱和风速谱(新疆气象,13卷,1期,4-10,1990,与马力合作)
从熵原理得到的暴雨的面积和雨量的关系(高原气象,10卷,3期,225-232,1991,与杨秀松合作)从熵原理得到的雨量时程方程(大气科学,15卷,6期,17-25,1991,与马淑红、马力合作)
从熵原理得到的稳定层云云滴谱方程(高原气象,8卷,3期,273-278,1989,与郑国光合作。其英文版 A Simple droplet specturn devired fom entropy theory, 发表在 Atmospheric Reasearch 杂志 32卷,189-193,1994,阿姆斯特丹 )
大气的热力学总熵(大气科学,16卷,3期,339-344,1992,与马力合作)
大气密度方程(气象学报,56卷,3期,337-382,1998)

基本框架

概念和原理 气象问题与应用
分布函数概念

气象学中的各种分布函数(对全球大气而言,不同气象要素(如温度、压力、风矢量、湿度、单位质量大气具有的各种能量、位温等)
各种降水物(雨、雪、雹等)和各种云中的水粒子的大小分布
对当地而言,不同气象要素的出现概率分布等数拾类

熵、复杂程度概念 位温、各种分布函数对应的气象熵(复杂程度)
最大熵原理(最复杂原理)

配合不同的约束条件,求各种理论气象分布函数再与实际观的分布函数比较验证
把这些知识用于数值气象预告、气候分析等各种领域

评论

丑纪范院士认为(在熵气象学序言中):

本书研究的是气象学问题,可是它离开了动力学框架,却从统计物理和熵的非决定论角度另辟蹊径。

 张学文先生长期致力于从统计物理的角度研究气象问题,成绩显著,多所建树。他将云滴谱的概念推广成分布函数来分析其他气象问题,发现大气的许多基本特性的分布函数遵循熟知的解析表达式,并且在时间上具有稳定性。为了解释这种现象,他将信息熵概念与原理应用于大气科学,对大气中各种物理量场进行宏观描述,以熵来度量各种形态场结构的复杂性或姿态丰度。在一定的积分约束下,引入熵最大假设可从理论上推导出与实际资料相符的分布函数。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。
    本书将作者十余年来辛勤钻研的成果和见解作了一个系统的、由浅显到复杂的逐步介绍,层层剖析,是很有说服力的。我相信虽然他的体系和价值还有待于实践的印证,还有待于进一步的发展,但是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。
    应该感谢作者,感谢他们艰苦的攀登和满腔热情的奉谳。

周家斌、黄嘉佑在“迅速发展的中国统计气象学”(1999年《新疆气象》22卷4期1-8页)中指出:

赵文桐等[16]研究了信息熵和气象熵的关系。张学文于1986年提出“熵气象学”一词, 1992年出版《熵气象学》[l7]一书。熵气象学的提出,使得概率分布的研究进一步深入。当然,熵气象学有它更广泛的意义。

熵气象学的研究领域是地球大气,这与动力气象学是一致的,相同的。但是动力气象学着重于对单个空气微团的分析,而熵气象学则着重于群体的分析,例如气温不等的众多空气微团,一批冰雹粒,一批降水过程等种种集合都是摘气象学的研究对象。

在熵气象学中有两个基本概念,即分布函数和熵。此处分布函数的概念范围较广。如雨量在面积上的分布,位温在全球大气质量中的分布等。概率分布是其一种特例,云物理学中的云滴谱、雨滴谱等也是它的一种特例。熵的概念也较广,物理学中的熵和信息论中的熵都可包容其中。熵气象学中已经揭示的分布函数有近30个,它们都是光滑的连续函数,几乎很少随时间的变化而变化。它们大多可以用一个参数不多的解析式来表示。其中气压和温度服从均匀分布,比湿、位能、风速服从负指数分布,总能量、位温服从 Gamma 分布。作者发现这些分布函数有很高的稳定性。应用最大熵原理可以推导出十余个常用的概率分布函数。最近,张学文把大气密度的时空分布函数与一个概率分布函数联系起来,又利用最大熵原理,导出了大气密度方程[18]。