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关于《大气物理学》中有关大气稳定度证明缺陷的详细说明,兼答蒋大和先生

已有 901 次阅读 2020-9-18 14:18 |系统分类:论文交流

按:蒋大和先生一再声称笔者所写的有关大气稳定度证明一文“关于大气稳定度的证明和许多教科书上写的基本相同”(见文末的链接),而且直接提到北大出版的《大气物理学》中就有。以下是笔者对这个问题的详细说明和回答。


首先笔者要强调的一个事实是:与笔者关于大气稳定度的证明基本相同的现有教科书一本也没有,因为要给出我在我的那篇证明文章(《大气垂向温度分布递减率与大气稳定度相关关系的理论性证明http://blog.sciencenet.cn/blog-3234816-1175402.html)里的证明方法一样的或类似的证明方法,就必须要用到我对大气的干绝热递减率的推导过程相完全相同的机理才能做到。

更为详细地说,该书所写出的大气稳定度的证明中(指北大出版的《大气物理学》,该证明方法应该不是该书编者自己首创的,但要查清谁是世界上的第一个提出者很难,因为这个知识点有挺久远的历史,应该是与大气的干绝热递减率同步出现的,若有读者能查清此事不胜感谢。当然,究竟谁是首创者这个问题也并不算重要了,因为最关键的问题在于其是否合理本身,把这个学术问题本身辨析清楚说明白才是最重要的),虽然数学运算看起来没问题似乎严丝合缝了,但事实上其中有一个涉及到最核心的物理机制的问题没有交代清楚,即:一个微气团做垂直的微小位移时,究竟是一个什么样的物理过程?不能仅仅简单地说其升降就是按照气块或是环境气层的垂直减温率做变化的。而事实上,该书中对这个问题的处理本身都是有问题的和自相矛盾的(这才是最为关键的关键点),即:究竟微气团是按照气块的垂直减温率变化的还是按照环境气层的垂直减温率进行变化的?什么是气块的垂直减温率变化?什么是环境气层的垂直减温率?以及为什么是要这样变化的?

在上述的这个问题上,该书的这个推理过程(认为微小气团是按照实际大气的垂直递减率进行变温的)是正好和我的证明中的推理思路是相反的,在我的推理过程中,该微气团升降时是先假设其是按照中性大气的垂直减温率进行的,变化后再与周围的实际环境大气的状态进行比较,以确定其是有返回初始位置还是加速远离初始位置之类的趋势的)。因此,该书中的这个证明过程,用了一个逻辑模糊准确地说是自相矛盾的思路,给出了一个貌似数学运算上严丝合缝其实物理机制是不自洽的拼凑式的证明结果。而我的证明方法,在物理机制上才是完全简洁明了的和真正严密自洽的。

(需要补充的是:与北大的《大气物理学》相类似的证明方法,在很多其他相关教材里都有(比如蒋大和先生所提到的那几本书里),只是在涉及到微气团升降时究竟是按照哪种方式进行变温的,有些教材的写法和这本《大学物理学》的写法不太一样,但其本质的问题都是一样的:那就是都没有说清楚这个微气团到底是采取一个怎么样的物理机制进行升降的?当然有一些书里明确说它就是一个绝热的上升过程,那么这里就存在那个涉及到干绝热减温率推导过程中的一个根源性的错误的问题了:这就是凭什么它是绝热的却又做了体积功,但又丝毫不考虑重力势能影响的过程呢?)

上述问题,也是我一再强调的,要彻底理解清楚这个问题,必须从干绝热递减率的推导和稳定度证明两个角度进行互相印证的原因,因为没有这种互相印证,就无法把这个推理过程中的物理机制真正说清楚想明白。

最后,笔者想再一次重复一下关于现有教材中有关干绝热递减率的推导(不仅仅是北大出版的《大气物理学》教材,而是现有所有相关教材)为何是错误的原因,其原因有两个:一个是完全不考虑重力场的影响,这是绝对错误的做法(用建模的语言来说,这个物理建模是机理上有错误的)。另一个是仅假设分析气团是只与周围大气进行体积功交换却认为可以不考虑热交换,这个做法是过于武断的和不合理的,因为任何气团在升降的过程中,与周围气体的热交换的速度和功交换的速度相比,不应该前者可以完全忽略,这二者应该不会小到有较大的数量级的差距的程度,这个过程和汽缸运动等过程有很大的不同,汽缸运动速度非常快,每一个冲程中体积功的变化速率往往远大于热传递速率,而微气团的升降过程分析中,微气团与周围实际大气会有巨大的比表面积,远大于汽缸等宏观气团与其周围接触界面的比表面积,因此对于这种微气团分析若是从实际过程进行模拟分析的话,其过程中的热交换相比体积功交换应该是不可以忽略的,完全忽略是武断的和有巨大缺陷的。而解决上述这两个问题的最好方法是:干脆一开始让分析的微气团与周围气体完全孤立隔绝地进行升降,只考虑其与重力势能之间的能量守恒转换,由此即可得到在孤立隔绝情形下,仅与重力场进行能量转换的微气团的垂直减温率(因此应称其为‘重力场下的干绝热自由垂直递减率/减温率’),这种温度分布的大气,其稳定度特性就是中性的(即介于稳定和不稳定之间的临界情形)。在这样的一个有关中性大气垂直减温率的推导机理下,再来考查各种垂直温度分布情形的大气的稳定度特征时,就可以很简洁地进行了:先取大气中的任意一个微气团,并假定其温度的升降变化先按照中性大气的垂直减温率进行与周围大气完全孤立隔绝的变化,压力则指定为在任意高度处均与周围实际大气压力分布相等(后者对于理想气体变化来说是合理的可行的),变化完了之后,再将该微气团放到现实大气场中,看其做了这样一个孤立隔绝的微升降后,其对应的体积和温度相比周围(同摩尔数)的实际大气是什么情形,是温度更高的话,就要放热,温度更低的话就要吸热;是体积更小的话就要下沉,是体积更大的话就要上浮(因为取的是同摩尔数的微气团进行对比)。而按照这样上述的这样一个模拟分析过程,其结果就是:如果实际大气的垂直减温率是小于中性大气的垂直减温率的话,那么该大气是死沉的稳定大气,因为即使虚拟给任意一个微气团以一个微小的垂直方向运动,该微气团是会迅速返回起始位置的(浮力减重力后的净作用力的符号会正好与初始运动方向相反);与此相反,实际垂直减温率是大于中性垂直减温率的话,该气团就会继续加速运动,这一机制就会导致这种温度垂直分布情形下的大气是非常不稳定的(稳定不稳定都是指大气在铅锤方向上的运动特性)。

抓住上述这两个关键缺陷去理解这个问题,就可以逐渐彻底明白为何没法用现有的有关干绝热递减率的推导机理去证明大气的稳定度与大气的垂直温度分布的关系了。

最后,再次恳请读者们,若要评论本文,请多次反复思考笔者在文章所做的论述之后,看清楚了其中的关键点和关键性差别再做评论和发言,否则很容易陷入意气之争和偏题甚至跑题的口水之争,那就很没意思也没必要了,谢谢!


相关文章及讨论的链接如下:

现有教材中有关环境数学模型修正之:污染物在流场中的分布特征

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3234816&do=blog&id=1250513

大气垂向温度分布递减率与大气稳定度相关关系的理论性证明

http://blog.sciencenet.cn/blog-3234816-1175402.html

现有教材中的大气绝热递减率推导均有错误?

http://blog.sciencenet.cn/blog-3234816-1004050.html

答王虹宇老师-关于大气干绝热递减率的推导问题

http://blog.sciencenet.cn/blog-3234816-1143069.html




http://blog.sciencenet.cn/blog-3234816-1251107.html

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2 王从彦 王安良

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