大气涡旋系统演变的热力学研究

本项目拟对用于计算大气涡旋系统熵收支的积分形式的熵平衡方程加以改进，重点解决水分相变引起的比熵变化和如何量化降水所导致的涡旋系统的熵减小，并在此基础上，通过藉熵平衡方程，计算热带低压和东北冷涡等大气涡旋系统生命史演变各主要阶段来自环境的熵流，揭示熵流与大气涡旋系统组织化的关系或熵流对大气涡旋系统演变趋势的指示性，进一步证实熵作为一个热力学系统无序度度量的一般性提法在大气科学中的正确性和适用性，加深人们对大气耗散结构发生发展机理的认识。本项目取得的预期成果，有助于近年蓬勃发展的非线性非平衡态热力学及横向学科耗散结构理论的一些最新成果推广应用于大气科学，并为大气科学的研究和大气涡旋系统强度和路径的预测提供一种新的可供选择的方向。

先前的天气学诊断分析往往采用气象上若干常规的要素或变量，如动能、位能、位涡或稳定度等，而很少采用现代非线性非平衡热力学变量，如熵或熵流来进行分析。根据经典耗散结构理论的观点，熵是一个热力学系统无序度的度量；一个热力学系统若不与其环境进行质量和能量的交换（即孤立系统），则由于系统内部自发发生的不可逆热力学过程，该系统的熵会随时间增大，从而趋于变得无序，最终该系统将减弱并消亡。然而，当系统有来自其环境的负熵源源流入系统内部，则势将造成该系统内部的减熵过程，从而使该系统的熵减少，于是系统即趋于加强。本研究的结果显示，凡是涡旋系统的低层负熵流较大的阶段，其后时刻（6 h）该系统往往发展加强，同时6 h的累积降水量增大。这个结果从近地面层、950 hPa负熵流的分布与该时刻后6 h降水分布特征一致得到清楚的反映，特别是负熵流大值中心与降水中心分布大体一致的特征非常突出。这一研究结果从一个侧面印证了耗散结构理论的一个重要原理；一个动力系统如有负熵源源流入其内部，则该系统将被进一步组织化成一更加有序的结构，而对于一个低值大气涡旋系统而言，其内部的垂直运动必然得到加强，最后导致局地降水量增大。因而这一研究结果对于分析涡旋系统的发生发展演变特征及其降水落区有重要的指示意义，在较大的程度上展示出在降水预报方面具有明确的应用前景。