大气热力学

　　大气热力学对干绝热过程的研究开始得最早，主要研究干空气的气块在运动过程中由于压缩和膨胀引起的温度变化，得到干绝热过程温度递减率。后来注重到水汽以及与之有关的凝聚和蒸发、凝固和溶解等过程对大气中热力过程的重要作用，又开始了对潮湿空气，非凡是饱和湿空气热力学的研究，得到了湿绝热过程温度递减率；建立了表征大气中水汽含量(包括各种湿度)的温湿特征以及虚温度的概念；研究了可逆凝聚和假绝热过程；还研究了成云致雹各个阶段的热力过程。（见大气绝热过程、大气热力学温度、大气静力稳定度） 　　在大气热力学中，除研究由大气中水汽相变而引起的非绝热过程外，对于由辐射和湍流热量交换所引起的非绝热过程（见非绝热加热）的研究也受到了重视（非凡是关于中长期天气过程和气候形成的问题）。 　　

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      由于大气动力学的基本方程组中包括了气体状态方程和热力学第一定律（见大气动力方程），所以大气动力学和大气热力学之间有着密切的联系。

概述
　　热学中发展的非平衡态热力学是对物理和化学现象的研究成果，可以认为这些现象是实验室尺度的物理和化学现象。他们所研究的热力系统是以分子为基本粒子的宏观系统；其耗散过程是分子粘性效应.而大气热力系统是空气微团组成的地球尺度的宏观系统；其耗散过程是湍流粘性效应；并受重力场和柯氏力等动力因子和热力层结的热力因子控制。因此，需要发展适合大气固有特征的热力学，把物理、化学中的非平衡态热力学应用到大气科学中是学科发展迫切要求的。由于两者的控制方程和系统特征不同，是一项极具有挑战性的科学研究。 　　 暖通空调在线

在大气科学中，表达热力学第一定律的方程是构建数值模式的基本方程，而热力学第二定律在大气力学中似乎不占重要地位。实际上热力学第二定律表示了一个方向夭，即系统的热力过程是不可逆的，表示了系统运动的时间趋向，具有重要的物理内涵.基于热力学第二定律,可以在数值计算中构造合理的差分格式,研究表明这种具有物理含意的差分格式确能提高天气预报准确率[1]. 从熵平衡观点来研究气候系统始于1980年代，1990年代取得了新的进展。如研究气候常定态时的熵产生，根据卫星观测资料计算源于短波辐射和长波辐射的熵通量。用简单垂直灰模型研究气候平衡态的结果表明，地球气候存在一个唯一的气温分布和对流-辐射通量分布，它代表了一个最大熵增态，而这一分布类似于现在气候。这表示，现在大气热通量的全球平均态以及另一些行星的现有状态，是以其可能最大速率的熵增方式达到稳定的。

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至今趋势

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至今，已出版的大气热力学专著几乎都基于经典力学的范畴.关于非平衡态热力学在大气科学中应用的研究已取得了若干进展，如研究大气中的耗散结构，研究大气中各种系统的熵平衡等；因此十分需要出版一本大气非平衡态热力学的专著。《大气热力动力学导论—大气非平衡态线性和非线性热力学》一书正好应此而生。该书论述了大气热力学发展的许多新成果。例如，理论热力学中非线性热力系统的最小熵产生定理和稳定性判据都是在小扰动假设下证明的;可以在更宽的条件下，利用动力学方程的性质证明最小熵产生定理和稳定性判据。理论上指出，最小熵产生的大气状态并非定态，由于大气动力过程仍可使大气流速、温度和水汽仍处于非定态之中。最小熵产生的大气状态是系统不存在任何动量、热量和水汽量的源/汇的热力学状态，也就是是无源的态，这和理论热力学最小熵产生态的结论是不同的。这不但发展了非平衡态大气热力学，而且具有理论物理价值。1990年代以来，国内外大气科学领域对大气熵理论求解热力学方程的福克-普朗克(Fokker-Planck)途径等方面都进行了有成效的研究，丰富了非线性大气热力学。把动力变量和动力方程变换为熵表达形式，也已有这方面的尝试，其思路是直接把动力变量类比地看作为一个温度变量来定义熵函数的。与导出方程(1)的思路和步骤是不同的。

　　由于我们对大气的热力学作用和热力过程了解还不够，大气非平衡态热力学理论研究也处在初创期，任重而道远。1970年代以来，已尝试从热力熵理论来建立气候系统模式，这样有可能不必在模式中涉及所有尺度上的物理过程而建模。但从热力-动力熵理论来发展大气数值模式更具有吸引力，因为大气的动力过程对描写大气运动是非常重要的。相信，随着当今其他学科的急速进展，特别是物理、化学和计算数学的发展，在不久的将来，定能在此基础上建立和发展突显热力学作用的数值模式。

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