[论文解读] Entropy Shows that Global Warming Should Cause Increased Variability in the Weather

John Michael Williams|ArXiv.org|Aug 28, 2000

Earth Systems and Cosmic Evolution参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文认为全球变暖增加了大气熵，从而导致可用于气象系统的自由能增加，这本质上会放大气象变异性。通过使用全球熵的热力学近似，作者证明温度上升应导致天气变异性增加，为观测到的和预测的气候极端事件提供了基本的物理解释。

ABSTRACT

Elementary physical reasoning seems to leave it inevitable that global warming would increase the variability of the weather. The first two terms in an approximation to the global entropy are used to show that global warming has increased the free energy available to drive the weather, and that the variance of the weather should increase correspondingly.

研究动机与目标

• 通过热力学原理，建立全球变暖与大气天气变异性增加之间的理论联系。
• 分析全球气温上升如何影响驱动大气动力学的可用自由能。
• 应用基于熵的推理，预测气候变化导致的气象方差变化。
• 提供一个物理解释，说明为何气候变化可能导致更极端和多变的天气模式。
• 证明全球变暖导致的熵增加意味着更大的大气不稳定性与变异性。

提出的方法

• 使用全球熵热力学近似的前两项作为大气能量可用性的代理指标。
• 将热力学中自由能（可用功）的概念应用于地球气候系统。
• 通过熵的增加，将全球气温变化与大气过程方差变化联系起来。
• 将大气建模为在温暖地表与冷高层大气之间运行的热机，以熵作为可用功的度量。
• 通过熵与能量平衡分析，推导出温度上升与天气模式方差增加之间的关系。
• 基于统计力学与热力学的物理推理，推断大气变异性增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 全球变暖如何影响地球大气中可用的自由能？
• RQ2 全球气温上升与大气变异性之间存在何种热力学关系？
• RQ3 熵能否用作全球变暖下天气变异性增加的预测指标？
• RQ4 大气熵的增加在多大程度上意味着更大的气象方差？
• RQ5 何种物理机制可解释全球变暖可能导致更极端和多变的天气事件？

主要发现

• 全球变暖增加了地球气候系统的总熵，尤其通过地表温度升高。
• 熵的增加对应于大气环流中可用自由能的上升，从而增强天气系统的强度。
• 由于熵与可用功之间的热力学关系，天气模式的方差被预测将增加。
• 该模型表明，即使温度小幅上升，长期来看也可能导致大气变异性显著增加。
• 该理论框架为全球变暖背景下极端天气事件增加的观测现象提供了物理解释。
• 结果与更温暖气候本身因热力学约束而具有更高变异性这一观点一致。