[论文解读] On the recognition of fundamental physical principles in recent atmospheric-environmental studies

Gerhard Kramm, R. Dlugi+1 more|ArXiv.org|Nov 9, 2007

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 51被引用 3

一句话总结

本文批判了近期大气科学中使用的替代质量平衡方程，证明其违反质量守恒定律且物理单位不一致。本文从精确的积分形式推导出正确的全球质量平衡方程，表明二氧化碳排放与吸收必须作为边界条件处理，而非体积累源，并指出错误方程使用于通量估算的莫宁-奥布uk霍夫相似性定律失效。

ABSTRACT

In this paper, so-called alternative mass balance equations for atmospheric constituents published recently are assessed in comparison with the true local mass balance equations deduced from exact integral formulations. It is shown that these "alternative" expressions appreciably violate the physical law of the conservation of mass as expressed by the equation of continuity. It is also shown that terms of these "alternative" mass balance equations have different physical units, a clear indication that these "alternative" expressions are incorrect. Furthermore, it is argued that in the case of "alternative" mass balance equations a real basis for Monin-Obukhov similarity laws does not exist. These similarity laws are customarily used to determine the turbulent fluxes of momentum, sensible heat and matter in the so-called atmospheric surface layer over even terrain. Moreover, based on exact integral formulations a globally averaged mass balance equation for trace species is derived. It is applied to discuss the budget of carbon dioxide on the basis of the globally averaged natural and anthropogenic emissions and the globally averaged uptake caused by the terrestrial biosphere and the oceans.

研究动机与目标

• 识别并纠正大气成分替代质量平衡方程中的根本性错误。
• 证明这些替代方程违反质量守恒的基本物理定律，并存在物理单位不一致的问题。
• 基于精确积分形式，建立适用于如二氧化碳等痕量气体的全球质量平衡正确框架。
• 表明使用错误方程会破坏用于湍流通量估算的莫宁-奥布uk霍夫相似性定律的物理基础。
• 重新确立在全球二氧化碳预算中，全球排放与吸收必须作为边界条件处理，而非体积累源。

提出的方法

• 从运动流体体积中质量守恒的精确积分形式推导出正确的局部质量平衡方程。
• 使用质心速度和扩散通量定义质量输运与连续性的物理基础。
• 应用雷诺平均法与阿伦方差准则结合小波分析，确定最优平均时间，拒绝使用块平均法。
• 在水平均匀性假设下对质量平衡方程进行垂直积分，推导出痕量气体的全球平均形式。
• 将正确的雷诺平均质量平衡方程与替代形式进行比较，揭示其在物理单位和结构上的不一致。
• 推导出将排放与吸收作为边界通量而非体积累源处理的全球平均二氧化碳质量平衡方程。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气成分的替代质量平衡方程是否违反质量守恒的基本定律？
• RQ2 为何替代方程中的各项具有不一致的物理单位，这对其有效性的含义是什么？
• RQ3 当其下层质量平衡方程本身在物理上不一致时，莫宁-奥布uk霍夫相似性定律是否仍可有意义地应用？
• RQ4 全球二氧化碳排放与吸收在大气质量平衡方程中应如何正确表示？
• RQ5 在全局二氧化碳预算中，边界条件与体积累源的正确物理解释是什么？

主要发现

• 替代质量平衡方程违反连续性方程，因此违反质量守恒的物理定律。
• 替代方程中各项的物理单位不一致，提供了其物理不一致性的明确证据。
• 使用这些方程会破坏莫宁-奥布uk霍夫相似性定律的物理基础，而该定律对于估算二氧化碳及其他痕量气体的湍流通量至关重要。
• 正确的全球平均二氧化碳质量平衡方程表明，总排放与吸收必须作为边界条件处理，而非体积累源。
• 当全球排放超过吸收时，二氧化碳的局部密度随时间增加，这与自18世纪以来观测到的大气二氧化碳上升趋势一致。
• 只有当吸收超过总排放时，大气二氧化碳才能稳定在1990年水平以上，这要求生物圈和海洋的碳汇能力得到增强。