介绍大气模型分子尺度实例

模拟地球大气层是一项极其困难的任务,大气科学家长期面临挑战,难以准确重构他们在现实生活中所观察的大规模过程Adrian Tuck博士原伦敦帝国学院客座教授建议通过计算分子尺度上发生的过程来改进模型通过更好地解释在这一级出现的扰动,他的结果可以帮助研究者在模型中更好地连接各种关键大气过程

地球大气层是一个千变万化的系统由于风能、温度、湿度等因素之间的复杂交互作用以及空气化学物吸收和反射辐射作用,大气永远无法沉入平衡状态,但可能实现暂时稳定状态。表示为理解过程观察并预测未来变化方式, 大气科学家需要同时从化学、流体动态和辐射物理领域提取

大气科学研究一个特别广的领域:小规模非规律运动空气,速度、温度和方向大相径庭扰动在化学过程、辐射转移过程、云组成过程、与生态系统交互作用过程以及水和污染迁移过程中发挥着关键作用。预测未来大气变化, 关键是研究者在模型中说明影响

即使在近二百年努力解决大气运动后,气象学家仍然无法完全说明扰动对大规模过程的影响或精确模拟他们在现实生活中所见行为 — — 更何况在南半球。Adrian Tuck博士通过研究解决问题,使用分片法分析扰动观察并推荐描述其影响的新方法

自上而下建模
描述物理系统分布于大小尺度的能量,增加系统整体分解时,研究者使用数名entropy单机系统不与外部系统交互作用 热力学二法则要求

这可能是一个基本规律,但在现实中,很少有自然系统能够在像地球大气层这样的环境中完全隔离,在这个环境中,多复杂系统之间的交互作用正在持续发生,并广泛受扰动影响。结果是,在定义此上下文的倍增率时有困难。

很少有自然系统可以在像地球大气层这样的环境中完全隔离

研究者广泛从上到下处理问题包括跨大区观察,并构建广义统计法描述这些努力所基于的假设是,小规模动荡过程和随之而来的浮动化学分布将快速均衡化,从而使其效果在较大尺度上实际上变得微小反过来,大尺度流程可建模计算机,基本不处理小尺度流程

查找钟曲线
广义描述类型往往依赖命名为“钟曲线”的统计关系,该关系定义了在各种可能量中观测某些量的概率最简单化案例最有可能的结果置入钟曲线顶部,而最不可能的结果则在边缘发现钟曲线指数下降 机翼概率低

钟曲线可精确描述特征,如一群人高度分布人平均高度比较常见,在曲线顶端会发现,而最高和最短者则置边缘在某些比较复杂的情况下,曲线会散开或变薄或偏向方或方即使在这些例子中,曲线仍可精确描述数学

如果对大气变量可应用同样关系,则表示风速和温度、方向和化学分布的小规模变化也应落在钟曲线上此外,随着高度和方位变化,这些曲线的形状预计会传播并偏移到不同程度,与大气中大规模模式相对应。由Daniel Schertzer和Shaun Lovejoy开发并用Aiden Hovde分析技术确定自上而下描述是否准确,Tuck博士转而使用NASA和NOAA的广泛观察

近数十年来,这些组织通过研究飞机横向飞行路径测量研究大气层,并研究垂直从其中一架飞机降落降落伞的监测装置塔克博士及其合作者通过研究分析北半球东太平洋广度上方13公里高度的飞机观察极地夜间喷气流测量法强风带环绕北南平流层下界约20公里

恢复偏差
图克博士及其合作者通过分析这些测量中的乱流发现与现有自上而下模拟大气变量方法有关键差异远非显示钟曲线形状,风速、方向、温度和化学种类的概率分布明显对称,并使用“脂肪尾料”。将对大规模过程产生深远影响,包括化学、水运和大气辐射特性表示长距离关联和尺度不变-飞行器轨迹看起来相似,

归根结底,偏差意味着模型只考虑大尺度法 忽略了大气整体行为中一个根本重要方面图克博士用Lovejoy和Schertzer的工作基础描述大气扰动为多分解系统可广泛发现这些系统的性质:广泛使用的一个实例是测量一个国家的海岸线

如果海岸线长度通过沿岸一公里相隔设置测量站来确定,测量将无法记录多小特征,包括小溪、小溪和外围但是,如果使用更多空间较近测量站,这些特征可能出现。结果,完全相同的海岸线将测量更长 — — 测量长度只会随着测量站间分离的进一步下降而增加。

计算多重尺度
在大气扰动方面,多分形性能可改变大气模型,视研究人员选择包含的较小行为而定。大气科学家通过调整模型以包括单分子从统计学上运动和碰撞,可以检验现有自上而下模型与实战观测之间的数大差错

这些因素中包括观察到平流层所观测温度大规模短期变化与太阳辐射臭氧分片率之间的关联性平流层极地夜间喷气流内部和周围的飞行器都观察到这种关联性。过程连接到下重力场 并下降压力发现在这些高度

图克博士判定 分子级扰动驱动力 由量命名 ibbs免费能量

图克博士通过解释这些结果确定,分子级扰动驱动力由量命名为“Gibbs自由能”。 描述为太阳辐射波束与从大气层返回空间的辐射差间,这种能量由大气中运动最快的分子承载它可以做驱动大气运动所必须的工作

计算扰动对化学、辐射和流动分子动态的影响时,Tuck博士主张从自上而下转向自下向上方法向模拟大气昆虫这种方法从计算分子级过程开始,然后研究大尺度上产生效果反之,它可以解决现有全球规模模型中的“冷偏偏度 ” — —描述平流层当前预测如何偏向温度比实测显示的要快得多。

深入理解
最终,Tuck博士希望研究者能很快开发出更精确的大气模型。转而帮助气象学家更好地了解大气层在全球范围的行为方式,并更好地预测地球气候变暖后会如何变化