基于非平衡态热力学的气候模式的构建

Based on the new advances in non-equilibrium nonlinear thermodynamics, this project will focus on proposing a new method to develop thermodynamic-oriented climate model and explore the feasibility theoretically. Thermodynamic-oriented climate models mean to use entropy balance equation and to rewrite the first law of thermodynamics which is used in climate model equations. The project includes three specific measures as follows: 1) In view of the characteristics of system memory about thermodynamic theory, the system self-memorization principle will be applied to the design and calculate the model. 2) As a basic research, this project tries to derive nonlinear mapping scheme of a simple climate model with memory, to carry out numerical calculation and analysis of the calculation results, and to make a reasonable climate physical interpretation using the theory and knowledge of chaotic dynamics. 3) To design one-dimensional thermodynamic-oriented climate model combined with entropy balance equation. we will develop a series of equations through theoretical derivation, and verify its feasibility through simulating and doing some sensitivity experiments. This project will emphasis on studying the principle of the thermodynamics-oriented climate model from the perspective of the physics and computational mathematics, to set uo the academic basis for developing the large thermodynamic-oriented climate models in the future.

本项目基于非平衡态非线性热力学最新进展，提出研制热力学导向的气候模式的新途径，从理论上探讨这类模式的可实现性。所谓热力学导向气候模式是指在气候模式方程组中加进表征热力学第二定律的熵平衡方程，改写表征热力学第一定律的热平衡方程。鉴于热力学理论中关于系统记忆性的特点，把系统自忆性原理应用到模式的设计和计算中。作为基础研究的起步性工作，推导带记忆的简单气候模式的非线性映象计算格式，进行数值计算，对计算结果进行分析，并运用混沌动力学理论和知识，作出合理的气候物理解释。设计联立熵平衡方程的一维热力学导向气候模式，从理论推导角度去建立一系列方程，并通过模拟计算和敏感性试验验证其可行性。本项目从物理学和计算数学角度对热力学导向气候模式进行偏重于原理的研究，为今后研制大型的热力学导向气候模式奠定学术基础。

本项目基于非平衡态非线性热力学最新进展，提出研制热力学导向的气候模式的新途径，从理论上探讨这类模式的可实现性。首先，探索了在气候建模中运用非衡态热力学的相关理论和应用前景，对模式计算方案进行了改造，包括计算中所用资料的获取，初边值的处理方案；其次，基于简单气候热力学模式，探讨了模式的非线性特征，包括对模式方程求解析解和运用非线性映像对模式进行数值计算，并用混沌动力学的观点和方法来做分析，推导了带记忆的简单气候模式的非线性映象计算格式，进行数值计算，对计算结果进行分析，并运用混沌动力学理论和知识，作出合理的气候物理解释；最后，设计了熵平衡方程的一维热力学导向气候模式，从理论推导角度建立了一系列方程，将熵平衡方程运用于天气尺度的大气系统，计算了黄河流域及周边地区大气系统的熵和熵变的时空分布特征。另外，在研究中我们发现：对于区域气候系统，熵平衡方程更多表征系统本身未来发展方向（是影响降水的系统内因）；而系统与外界之间的水汽交换以及系统内部的水汽再循环则是影响区域降水的重要外部因素（我们把区域降水和蒸发看成是区域大气系统与区域下垫面之间的能水交换）。因此，要建立完整的区域气候模式，我们增加了对水汽的内外循环及其影响的相关研究。但本项目侧重气候模式对降水的预测能力和技巧，因而也更加关注大气中的水汽系统热力学特征的研究。本项目执行期间，发表学术论文 20 篇，其中被 SCI 收录 11 篇，一区1篇，二区3篇，三区3篇；合作出版学术专著 1 部。2位成员晋升为副教授，培养2名硕士研究生。本项目理论研究的应用结果表明，在强降水出现之前可能会有熵的低值区出现，系统从收到外强迫作用到气旋的发生发展，再到降水的形成，整个过程都是熵平衡的过程。天气熵的计算为强降水事件前兆信号的研究提供了新思路，也为本研究提出的建立熵平衡方程的一维热力学导向气候模式提供了可能。