【成果】大气结构的渗流分析

来源: 作者: 发布时间:2021-12-29 浏览次数:

大气是一个典型的复杂系统,不同高度层次的时空结构具有显著的差异化特征。一般而言,大气结构的复杂性主要受到来自于地球表面各种驱动要素的影响,大气高度越贴近地面,这种影响作用越强(图1)。 虽然这种基于常识的定性认识,可以辅助人们勾勒出大气结构复杂度随高度变化的大致轮廓,但定量化分析的理论框架一直处于空白状态。复杂度的定量化对于大气科学、地球系统科学乃至复杂系统科学都具有非常重要的意义。将复杂度定量化,能够为系统建模提供具有指导意义的参数化指标。当某一局部区域具有相对较高的复杂度时,研究者需要对该区域内的相互作用进行更加精细的描述或考量。

近日,我院完成了一篇名为“Percolation analysis of the atmospheric structure”的研究论文,以统计物理渗流相变理论为基础,通过对大气温度场的结构展开分析,并对不同位势高度下大气结构的复杂度进行了量化。该研究发现,渗流模拟过程中最大团簇尺寸会在某一占据概率下发生急剧的不连续跳变(图2),跳跃间隙几乎不受尺度效应影响。这表明,当考虑温度涨落的渗流特征时,具有代表性的两个团簇集团会分别于南北半球独立生长并蔓延开来,直至两者融合,且融合后系统中再无其他大尺寸团簇集团(图2)。在发生渗流的瞬间,两个代表性团簇集团的构型具有很重要的意义,其边界形状很大程度上能够反映系统的复杂度特征。通过计算边界形状的分型维数来表征复杂度,该工作实现了对大气结构复杂度的刻画(图3)。该研究成果发表在 Physical Review E ,链接为https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.064139

其中,学院孙宇博士后为该论文的第一作者,陈晓松、樊京芳教授,姚卿博士后共同参与并指导了该论文的工作。此外,德国波茨坦气候影响研究所(PIK)的Jürgen Kurths教授、北京邮电大学的孟君研究员、德黑兰大学的Abbas Ali Saberi教授也一同参与了该论文的工作。

学院陈晓松、樊京芳教授团队多年来一直从事统计物理和复杂系统及相关课题的研究,近年来特别专注地球复杂系统的动力学演化及预测。

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图1 不同位势高度下风场强度分布示意图

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图2 不同位势高度下温度场渗流分析示意图。右,最大团簇尺寸的演化,左,渗流瞬间最具有代表性的两个团簇集团。

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图3 边界分型维数随位势高度(气压1000hPa所对应的高度差不多贴近地面,高度越高,气压越低)的变化。



作者:孙宇 樊京芳

编辑:兰松

审核:王大辉