[논문 리뷰] A General Systems Theory for Rain Formation in Warm Clouds

A. M. Selvam|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 29.

Plant Water Relations and Carbon Dynamics참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 통계역학 원리와 최대 엔트로피 생산 원리를 사용하여 쌍곡운의 따뜻한 비 형성에 대한 일반 체계 이론을 제안한다. 기상 난류를 역수법칙 에너지 스펙트럼을 가진 척도 무관한 프랙탈 변동으로 모델링하고, 구름 성장에 대한 보편적인 지배 방정식을 유도하여 유리한 조건에서 관측된 빗방울 크기 분포와 30분 이내의 비 발생을 예측한다.

ABSTRACT

A cumulus cloud model which can explain the observed characteristics of warm rain formation in monsoon clouds is presented. The model is based on classical statistical physical concepts and satisfies the principle of maximum entropy production. Atmospheric flows exhibit selfsimilar fractal fluctuations that are ubiquitous to all dynamical systems in nature, such as physical, chemical, social, etc and are characterized by inverse power law form for power (eddy energy) spectrum signifying long-range space-time correlations. A general systems theory model for atmospheric flows developed by the author is based on the concept that the large eddy energy is the integrated mean of enclosed turbulent (small scale) eddies. This model gives scale-free universal governing equations for cloud growth processes. The model predicted cloud parameters are in agreement with reported observations, in particular, the cloud dropsize distribution. Rain formation can occur in warm clouds within 30minutes lifetime under favourable conditions of moisture supply in the environment.

연구 동기 및 목표

• 통계역학 원리를 기반으로 모강우 구름 내 따뜻한 비 형성에 대한 통합 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 척도 무관한 난류 역학을 사용하여 따뜻한 비의 관측된 특성, 특히 빗방울 크기 분포를 설명하는 것.
• 대기 유동과 구름 성장 과정에 최대 엔트로피 생산 원리를 적용하는 것.
• 대규모 순환 에너지와 소규모 난류 소용돌이에서 유도된 보편적이고 척도 무관한 구름 발달 지배 방정식을 도출하는 것.
• 특히 구름 수명과 비 형성 시점에 대한 관측 데이터와의 일치를 검증하는 것.

제안 방법

• 모델은 고전적 통계역학과 최대 엔트로피 생산 원리를 기반으로 하여 대기 유동을 기술한다.
• 대규모 순환 에너지를 소규모 난류 소용돌이의 통합 평균으로 간주하여 계층적 에너지 전이를 수립한다.
• 난류 시스템 내 장거리 공간-시간 상관관계를 나타내기 위해 소용돌이 에너지 스펙트럼에 역수법칙 형태를 사용한다.
• 다양한 척도에 적용 가능한 척도 무관이고 보편적인 구름 성장 과정을 위한 방정식을 이론적으로 도출한다.
• _moisture 공급과 난류 에너지 전달에 기반하여 빗방울 크기 분포와 비 형성 시기를 예측한다.
• 프랙탈 자가유사성과 멱법칙 통계를 통합하여 따뜻한 구름 역학에 대한 일관된 체계 이론을 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 체계 이론은 모강우 구름 내 관측된 따뜻한 비 형성 특성을 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ2 최대 엔트로피 생산은 구름 척도 대기 유동을 지배하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 난류 내 척도 무관한 프랙탈 변동은 구름 성장과 강수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 보편적이고 척도 불변의 방정식은 따뜻한 구름 내 구름 발달과 비 발생을 기술할 수 있는가?
• RQ5 유리한 Humidity 조건에서 비 형성의 예측 시간 척도는 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 유리한 수증기 조건에서 구름 수명이 30분이내에 비 형성이 발생할 수 있음을 예측한다.
• 모델에서 유도된 빗방울 크기 분포는 보고된 관측 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 대기 유동은 역수법칙 에너지 스펙트럼을 가진 자가유사적 프랙탈 변동을 보이며, 장거리 공간-시간 상관관계를 나타낸다.
• 대규모 순환 에너지는 수학적으로 소규모 난류 소용돌이의 통합 평균으로 표현되며, 일관된 에너지 전이를 형성한다.
• 모델의 지배 방정식은 보편적이고 척도 무관하며, 통계역학과 엔트로피 생산의 기본 원리에서 유도된다.
• 이전 논문들(예: arXiv:1005.1336, arXiv:1105.0172)과 상당한 텍스트 중복이 있음을 통해 이론의 반복적 발전이 이루어졌음을 시사한다.