一个简单的对流模式来研究大气表层

自从“蝴蝶效应”在好莱坞电影中成为不朽的形象以来，它就成了一个司空见惯的概念，尽管它的起源并不清楚。它的名字来源于一个叫做洛伦茨吸引子它有一对蝴蝶翅膀的形状。这是一幅肖像画混乱这一阻碍长期天气预测的基本原理是:初始条件的微小变化，从长远来看就会导致截然不同的结果。

引起洛伦兹吸引子的三方程系统通常被称为大气对流的一个简单模型，然而在大气科学界，人们很少关注洛伦兹方程所描述的原始流体流动。由下面加热，上面冷却的流体层组成，瑞利对流是流体动力学家和数学家所喜爱的一种标志性流动，因为它的分析性和丰富的行为。它经常被认为与许多地球物理和天体物理流直接相关(Pandey et al.， 2018)。紊流Rayleigh-Bénard对流的成功导致了我们对混沌的理解，如洛伦兹吸引子所示，表明了通过使用这个简单的对流系统，获得对地球大气行为的其他关键概念见解的诱人可能性。

在最近的一项研究中(Fodor等人，2019年)，我们通过调查Rayleigh-Bénard湍流对流在多大程度上与白天类似来探索这种潜力大气边界层，也称为对流边界层(CBL)。特别地，我们研究了在两种系统中，表层的统计特性是否以类似的方式随高度发展。表层通常只有几十米厚,但由于强烈的湍流混合发生,最重要的是边界层的发展并最终进行热量交换的动力,水分和污染物的大气。Rayleigh-Bénard对流和CBL的表面边界条件是相同的，这可能会导致人们认为，在这两种情况下，表层性质应该表现相似。然而，两个系统上边界条件的差异改变了出现在两个系统中的大尺度环流，这可能对近地层产生影响。

事实上，尽管已经预告了Rayleigh-Bénard对流与地球物理流的相关性，但我们发现，与CBL相比，它冷却的上板块在某种程度上改变了大尺度结构，从而实质上改变了近地表性质的行为。特别是，Rayleigh-Bénard对流中的下沉气流比CBL中的要强烈得多，它们撞击表层改变了速度和温度统计随高度发展的方式。

然而，我们也发现，仅仅需要对Rayleigh-Bénard对流的上边界条件进行增量变化，就可以与CBL的表层统计数据紧密匹配。如果不是冷却，而是使上部板绝热，即不允许热量逸出，消除了强冷下沉气流的影响，从而使这个修改版的Rayleigh-Bénard对流和CBL之间的表层相似。Rayleigh-Bénard对流与绝热顶盖的优势是，它是一个比CBL更简单的实验设置，并提供了更长的统计稳态，允许通过长期平均实现更大的统计收敛。

从长远来看,古典的瑞系统将继续作为一个自然对流的研究范式,尽管我们正越来越多地开始看到它的实际应用地球物理和天体物理(Wilczynski et al ., 2019)流可能不会像过去那样的简单文学似乎暗示。