大氣熱力學

大氣熱力學是應用熱力學原理研究大氣熱力學過程的一門學科，是大氣物理學的一個分支。 ^[1] 

現代氣象學始於對大氣觀測的天氣分析，即對天氣圖的分析以及據此對未來天氣的預報；另一方面，則是應用力學來試圖解釋所發現的天氣現象。於是，在20世紀初期開始了大氣動力學研究，如運用流體力學發展了環流理論；20世紀30年代，應用波動力學發現了Rossby波，開創了地球物理流體力學；20世紀50年代初，實現了基於正壓模式的數值天氣預報，因此動力學在大氣科學一直處於主導地位 ^[2]  。20世紀80年代以來，大氣非線性動力學研究取得了重大進展,而非線性熱力學進展卻不那麼顯著，滯後於前者。同時，大氣非線性動力學與非線性熱力學利用不同的理論體系和方法進行研究，各自獨立地發展着，很少涉及其間的聯繫。

大氣熱力學在20世紀70年代以前其基礎是經典熱力學，而且僅視為大氣動力學的一個補充，如40年代的熱成風發展理論，提出了熱成風概念及其力學表達；與此同時在位温、假相當位温等概念的基礎上發展了熱力學圖表，供天氣預報實踐使用。20世紀70年代以來，物理學在熱力學方面取得了突破性進展，Prigogine等提出了耗散結構的概念和理論，形成布魯塞爾學派,並因此獲得了諾貝爾獎,這也推動了大氣熱力學的發展。例如發展了大氣系統的熵平衡理論和熱力學熵模式，探討了大氣中的自組織現象。提出了全球氣候是一種最小熵交換系統的概念，由此構造全球模式對氣候進行了模擬。耗散結構是指當系統處於遠離平衡態時，通過系統與外界進行能量和物質交換而形成且維持的一種由非線性機制產生的有序結構，即在非平衡態下宏觀系統的自組織現象。颱風、龍捲風無疑是一種耗散結構，因為必須不斷從周圍環境中吸取能量才能生存和發展。封國林等運用觀測資料分析表明，它們還是一種自組織臨界態系統 ^[3]  。

20世紀80年代起，隨着氣候和全球變化研究的進展，熱力學被放到越來越重要的位置上，因為熱力學因子對大氣和地球系統的長期行為更為重要。這樣研究大氣的非平衡態熱力學尤顯得迫切，在這期間獲得了若干重要學術成果，文獻 ^[4]  對此作了評述。

熱學中發展的非平衡態熱力學是對物理和化學現象的研究成果，可以認為這些現象是實驗室尺度的物理和化學現象，他們所研究的熱力系統是以分子為基本粒子的宏觀系統，其耗散過程是分子粘性效應。而大氣熱力系統是空氣微團組成的地球尺度的宏觀系統,其耗散過程是湍流粘性效應，並受重力場和柯氏力等動力因子和熱力層結的熱力因子控制。因此,發展適合大氣固有特徵的熱力學,把物理、化學中的非平衡態熱力學應用到大氣科學中,是學科發展迫切要求的 ^[5]  。由於兩者的控制方程和系統特徵不同,因此這是一項極具有挑戰性的科學研究。

在大氣科學中，表達熱力學第一定律的方程是構建數值模式的基本方程，而熱力學第二定律在大氣力學中似乎不佔重要地位。實際上熱力學第二定律表示了一個方向矢，即系統的熱力過程是不可逆的，表示了系統運動的時間趨向,具有重要的物理內涵。基於熱力學第二定律，可以在數值計算中構造合理的差分格式,研究表明,這種具有物理含義的差分格式確能提高天氣預報準確率。從熵平衡觀點來研究氣候系統始於20世紀80年代,90年代取得了新的進展。如研究氣候常定態時的熵產生，根據衞星觀測資料計算源於短波輻射和長波輻射的熵通量。用簡單垂直灰模型研究氣候平衡態的結果表明,地球氣候存在一個唯一的氣温分佈和對流-輻射通量分佈，它代表了一個最大熵增態,而這一分佈類似於後來氣候。這表示，大氣熱通量的全球平均態以及另一些行星的現有狀態,是以其可能最大速率的熵增方式達到穩定的 ^[6]  。

已出版的大氣熱力學專著幾乎都基於經典力學的範疇。關於非平衡態熱力學在大氣科學中應用的研究已取得了若干進展，如研究大氣中各種系統的熵平衡,研究大氣中的耗散結構等；大氣系統以及大氣中的子系統,如温帶氣旋、熱帶氣候、鋒區等，都處於非熱力平衡態，具有耗散結構特徵,文獻[18]對大氣中的耗散結構進行了系統的論述。20世紀90年代以來,國內外大氣科學領域對大氣熵理論、求解熱力學方程的福克-普朗克(Fokker-Planck)途徑等方面都進行了有成效的研究,豐富了非線性大氣熱力學。把動力變量和動力方程變換為熵表達形式,也已有這方面的嘗試，其思路是直接把動力變量類比地看作為一個温度變量來定義熵函數;這與導出式(1)的思路和步驟是不同的。大氣的外來能量主要源於太陽輻射，少量通過火山爆發等來自地核，因此，大氣過程是一種不可逆過程,對此人們已進行了理論和模式研究，其中包括運用簡單模式和全球模式進行的對熱響應、熱慣性、熱耗散和非線性過程等問題的研究。 ^[6] 

由於對大氣的熱力學作用和熱力過程瞭解還不夠，大氣非平衡態熱力學理論研究也處在初創期，任重而道遠。1970年代以來，已嘗試從熱力熵理論來建立氣候系統模式，這樣有可能不必在模式中涉及所有尺度上的物理過程而建模。但從熱力-動力熵理論來發展大氣數值模式更具有吸引力，因為大氣的動力過程對描寫大氣運動是非常重要的。 ^[6]