[论文解读] Universal spectrum for atmospheric aerosol size distribution: comparison with pcasp-b observations of vocals 2008

AM Selvam|arXiv (Cornell University)|May 1, 2011

Complex Systems and Time Series Analysis参考文献 88被引用 7

一句话总结

本文基于将大气中的分形涡流涨落与最大熵产生相联系的一般系统理论，提出了一种适用于大气气溶胶粒径分布的通用逆幂律谱。该模型仅使用两个可测量参数——平均体积半径和总数浓度——即可预测一致的气溶胶粒径谱，与VOCALS-2008 活动中 PCASP-B 的观测结果高度吻合，为气候建模提供了物理解释框架。

ABSTRACT

Atmospheric flows exhibit scale-free fractal fluctuations. A general systems theory based on classical statistical physical concepts visualizes the fractal fluctuations to result from the coexistence of eddy fluctuations in an eddy continuum, the larger scale eddies being the integrated mean of enclosed smaller scale eddies. The model predicts (i) the eddy energy (variance) spectrum and corresponding eddy amplitude probability distribution are quantified by the same universal inverse power law distribution incorporating the golden mean. (ii) The steady state ordered hierarchical growth of atmospheric eddy continuum is associated with maximum entropy production. (iii) atmospheric particulate size spectrum is derived in terms of the model predicted universal inverse power law for atmospheric eddy energy spectrum. Model predictions are in agreement with observations. Universal inverse power law for power spectra of fractal fluctuations rules out linear secular trends in meteorological parameters. Global warming related climate change, if any, will be manifested as intensification of fluctuations of all scales manifested immediately in high frequency fluctuations. The universal aerosol size spectrum presented in this paper may be computed for any location with two measured parameters, namely, the mean volume radius and the total number concentration and may be incorporated in climate models for computation of radiation budget of earth-atmosphere system.

研究动机与目标

• 基于大气流动中无标度分形涨落，发展一种适用于大气气溶胶粒径分布的通用理论框架。
• 通过通用逆幂律，将大气涡流的能量谱与气溶胶的粒径分布相联系。
• 利用 VOCALS-2008 现场观测活动中 PCASP-B 的实测数据，对理论模型进行验证。
• 仅使用两个可测量参数——平均体积半径和总数浓度——实现在气候模型中计算气溶胶谱。
• 通过证明气候变化的影响将体现为多尺度涨落的增强，而非线性长期趋势，从而挑战气象参数的线性长期趋势。

提出的方法

• 该模型应用经典统计物理与一般系统理论，将大气涡流连续体描述为嵌套涡流的分层系统。
• 通过引入黄金分割率（φ）的逆幂律，推导出涡流能量谱与振幅概率分布。
• 该理论假设涡流连续体处于稳态、有序的分层增长状态，与最大熵产生相关。
• 从预测的通用涡流能量谱出发，推导出气溶胶粒径谱，建立大气湍流与粒子粒径分布之间的联系。
• 该模型仅使用两个输入参数——平均体积半径和总数浓度——来计算通用气溶胶粒径谱。
• 将理论预测与 VOCALS-2008 活动中 PCASP-B 的原位测量数据进行对比，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从大气涡流动力学的基本原理出发，推导出适用于大气气溶胶粒径分布的通用逆幂律谱？
• RQ2 大气涡流涨落的分形特性如何与观测到的气溶胶粒径分布相关联？
• RQ3 基于最大熵产生与黄金分割率的模型预测，在多大程度上与 VOCALS-2008 活动中 PCASP-B 的实测数据一致？
• RQ4 气候变化的影响是否可通过大气参数中多尺度涨落的增强来检测，而非依赖线性趋势？
• RQ5 是否可行仅通过两个可测量的大气参数——平均体积半径和总数浓度——在气候模型中计算通用气溶胶谱？

主要发现

• 该模型预测了包含黄金分割率的通用逆幂律气溶胶粒径谱，与 VOCALS-2008 活动中 PCASP-B 的实测数据高度吻合。
• 涡流能量谱与振幅概率分布均由同一通用逆幂律量化，表明模型具有深层次的物理一致性。
• 大气涡流连续体的稳态分层增长与最大熵产生相关，为观测到的标度律提供了热力学基础。
• 该模型排除了气象参数的线性长期趋势，表明气候变化的影响将体现为所有尺度上波动强度的增强。
• 通过仅使用两个测量参数——平均体积半径和总数浓度——可计算任意地点的通用气溶胶谱。
• 所推导的气溶胶谱可直接用于改进地球-大气气候模型中的辐射平衡计算。