請問中尺度氣象模式隱含假設大氣是可逆過程嗎？

dragonphy · 发表于 2021-2-23 16:34:00

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中尺度氣象模式基本假設大氣為理想流體 (ideal fluids) (即非黏性流體 (inviscid flow) 即忽略分子摩擦力項)。由熱力學第二定律表明對理想流體系統是時間可逆的 (time-reversible)。另外，湍流耗散項是在假設理想流體且理想氣體的基本方程之上進行雷諾平均假設而出現，因此是時間可逆的。那麼中尺度氣象模式是否隱含假設大氣是可逆過程？

dragonphy · 发表于 2021-2-24 10:34:01

本帖最后由 dragonphy 于 2021-2-24 10:35 编辑

基於熱力學第二定律和狹義相對論，我們知道實際世界時間顯然是不可逆的。以下：(https://physics.stackexchange.co ... -is-non-equilibrium)，表示湍流是時間不可逆的。但是，模式是否考慮到呢？首先，後向軌跡拉格朗日模型好似需忽略湍流耗散方可時間逆行。再來，有研究表明 (https://doi.org/10.1080/14685248.2011.639777)，對湍流部分解析的大渦模擬模型是時間可逆的。最後，我認為RANS模型 (中尺度氣象模式) 的基於經驗歸納的湍流參數化方案和雲微物理方案是使其不可逆的候選因素。但我依舊認為模式的基本方程是時間可逆的。

freekiller · 发表于 2021-2-24 10:49:34

只能说数值模式中部分过程是假设可逆的。比如风从a点到b点，可以按一定方法从b点返回到a，但有些是不可逆的，比如降水到地面是没法返回去的，所以这部分在可逆的时候其实没处理，即使要处理也是数学上的处理，而不是物理意义上的返回去，因此没有违背热力学第二定律

dragonphy · 发表于 2021-2-24 11:23:29

本帖最后由 dragonphy 于 2021-2-24 11:25 编辑

非常感謝！！！您的意思是否說對模式來說降水是可逆的，因為數學上處理是可行的嗎？例如：早年的模式 (Edward N. Lorenz, 1960) (https://doi.org/10.3402/tellusa.v12i4.9420) ，假設大氣為可逆絕熱過程。然後我們知道可逆是由非黏性流體假設而來。對了，抱歉，我可能沒表達清楚，熱力學第二定律是有等號的，但實際物理世界等號貌似只出現在極端或理想情境中。

werewolf · 发表于 2021-2-24 16:09:45

对于这部分可以看看四维变分，切线性伴随模式就是一个逆向过程。

dragonphy · 发表于 2021-2-24 18:11:25

非常感謝！！！很享受搜尋您提示方向的資料XD 由於在下並未正經學過同化和反演相關知識，以下的想法可能很初淺還請見諒。
(1) (https://maths.ucd.ie/~plynch/LEC ... 4/NWP-CH05-6-P4.pdf) 這篇是您提及的四維變分相關材料，伴隨模式 (adjoint model) 類同矩陣取轉置 (transpose) ，矩陣算子順序的反轉相當於時間反轉。

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(2) 這是一篇關於「轉置為何直覺地象徵"逆序"？」的有趣討論。(https://math.stackexchange.com/q ... pose-of-the-product)
(3) 這篇是討論「為何量子力學可逆？」，和您說的四維變分有異曲同工之妙。(https://physics.stackexchange.co ... ics-reversible?rq=1)

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