[论文解读] A General Systems Theory for Rain Formation in Warm Clouds

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

Plant Water Relations and Carbon Dynamics参考文献 46被引用 4

一句话总结

本文基於統計物理原理與最大熵產生原則，提出了一種用於積雲中暖雨形成的一般系統理論。將大氣湍流建模為具有反平方譜的無標度分形波動，推導出雲層增長的普遍控制方程，可在有利條件下預測30分鐘內的觀測雨滴大小分佈與降雨起始。

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.

研究动机与目标

• 基於統計物理原理，發展一個針對季風雲中暖雨形成的統一理論框架。
• 利用無標度湍流動力學解釋暖雨的觀測特徵，特別是雨滴大小分佈。
• 將最大熵產生原理應用於大氣流動與雲層增長過程。
• 從大尺度渦動能量與小尺度湍流渦動出發，推導出普遍且無標度的雲層發展控制方程。
• 對觀測數據進行模型驗證，特別是雲層壽命與降雨形成時間。

提出的方法

• 模型建立在經典統計物理與最大熵產生原則基礎上，用以描述大氣流動。
• 將大渦動能量視為封閉小尺度湍流渦動的平均值總和，建立分層能量傳輸結構。
• 使用渦動能量譜的反平方形式，以表示湍流系統中的長程空間-時間關聯。
• 理論推導出適用於不同尺度的無標度、普遍的雲層增長過程方程。
• 根據水汽供應與湍流能量傳輸，預測雲滴大小分佈與降雨形成時間。
• 將分形自相似性與幂律統計整合為一個連貫的暖雲動力系統理論。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何透過一般系統理論解釋季風雲中暖雨形成的觀測特徵？
• RQ2 最大熵產生在控制雲尺度大氣流動中扮演何種角色？
• RQ3 湍流中無標度分形波動如何影響雲層增長與降水？
• RQ4 能否以普遍且尺度不變的方程描述暖雲的雲層發展與降雨起始？
• RQ5 在有利濕度條件下，降雨形成的預測時間尺度為何？

主要发现

• 模型預測在有利濕度條件下，暖雲的降雨形成可在雲層壽命的30分鐘內發生。
• 模型推導出的雲滴大小分佈與報告的觀測數據高度一致。
• 大氣流動表現出自相似的分形波動，具有反平方譜能量譜，顯示長程空間-時間關聯。
• 大尺度渦動能量在數學上可表達為小尺度湍流渦動的平均值總和，形成一致的能量傳輸鏈。
• 模型的控制方程具有普遍性與無標度特性，源自統計物理與熵產生的基本原理。
• 與先前作品（例如，arXiv:1005.1336, arXiv:1105.0172）存在顯著文字重複，顯示理論的迭代發展過程。