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[理论研究] 小议气象混沌性辩证法

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发表于 2013-3-10 10:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
接触气象已经有十多年的历史,虽然只是作为平时业余兴趣爱好的一部分,但对于气象这门博大精深的学科还算是比较投入,方式方法虽然未必完全科学,但是经过不断依样画葫芦实践,还是发现了气象的一些“固有特点”。

虽然全球大气环流时时刻刻都在演变并没有任何相同重复,还是有规律可循的,但这种规律是一种非线性的动态平衡,更是一种遥相关机制,它并不完全相同而又有一定的相似性。这就是气象混沌性中充满了辩证法。下面稍微简单谈一下这种混沌性辩证法。

PS:放心,不会枯燥,也不会很长,毕竟个人认知十分浅显,会用实际例子来描述分析。

首先就从今年2月份我国气候特点来切入吧!今年2月份我国气温总体虽然不算太低(见下图距平),但出现明显偏低的区域都是在人口稠密的地区,所以大多人们对于今年2月份还是觉得非常寒冷的。从图中可见,东北大部和内蒙古东部气温严重偏低2-4度;华北和华中大部地区也偏低1-2度。

2月份气温距平.jpg

这是由于2月份以来,影响我国的冷空气势力偏强,路径偏东所致。具体来看,2月份欧亚地区大尺度环流主要呈现两槽一脊——欧洲槽-乌脊-东亚大槽(如下图1)。这种环流经向强烈,气团密度分布不均,西伯利亚高压偏强,极涡容易南下。所以之前经常分析欧洲槽振荡和东亚冬季环流很有关的原因就在于此。而造成这种环流的罪魁祸首就是A0的持续负位相(如下图2)。所以在A0负位相的冬季,我国气温在大多数的情况下是呈现偏低的,特别是东部地区。
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 楼主| 发表于 2013-3-10 10:10 | 显示全部楼层
另外,我国东北和江南地区2月份的降水是偏多的。这是什么原因呢?同样来看位势距平图,发现东亚中北部是负距平,但南部则是正距平,说明在极涡偏强的同时西太副高也是偏强的。因此冷暖容易交汇于我国江南地区,而东北则是受到极涡控制多降雪。

从分析中可以看出,东亚地区的天气变化和其上游的欧洲地区有关,和低纬度的副高也有密切关系。这就是一种互相影响的相关机制,虽然大家都是在不断变化中,但其中还是有些规律可循。
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 楼主| 发表于 2013-3-10 10:12 | 显示全部楼层
下面再来看一个涉及更大范围的例子,就从最近几天全国性大升温说起。这几天给大家最感同身受的就是初夏般的气温。不仅仅是上海,关内大部分地区日最高气温都升至了20度以上,其中华中、华东局部地区日最高气温高达30度以上,说成夏日一点也不为过(如下图3月9日最高气温分布)。那么这次升温是如何形成的呢?
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 楼主| 发表于 2013-3-10 10:14 | 显示全部楼层
简单来看,就是前期南下频繁的极涡北收了,东亚环流变得开始平直,加上西太副高还是偏强偏北,充足的日照加热内陆的地面,在内陆形成热力性暖低压,暖气团主要我国,从而气温明显回升。那么极涡为什么就在这段时间明显北收呢?

冬至以后,北半球日照开始变长,但当时冷气团还是占主导地位。待日照继续变长之后,地面和大气积累的热量达到一定程度,发生量变到质变,大气环流就会发生明显改变,这就从侧面反映出大气有自我调节的作用。

另外,青*藏*高*原是影响我国天气乃至整个亚洲天气一个重要的地区。由于其海拔高,空气稀薄,受到太阳光照成为影响该地区天气的主要因素。冬半年散热多,成为冷源;夏半年吸热快,成为热源。在季节交替的时段,虽然冷热属性还不稳定,但对周围大气的影响已经开始逐步显现。请看下图:

Geopotential3250032hPa32and32Temperature32at3285032hPa_Asia_0.gif

塔里木盆地和黄土高原是今年第一次“变红”,是冬半年环流所看不到的。这在一个方面受到青*藏*高*原潜热释放的影响,因此这个环流就是一个明显的冷-暖转折。而追溯青*藏*高*原潜热释放的原因,得益于前段时间印度高压的增强,印度热季的到来。

所以低纬度向高纬度进行“传热”,不是简单的热传递、热辐射,而是主要通过动力学。这也表明,要分析大尺度环流,就要从动力学入手,大气大尺度深厚天气系统也是动力学的成果,而不是热力学。大气之间相互影响机制(遥相关),也是通过动力完成,例如哈德莱环流、费里尔环流、季节内振荡等。这也是每次分析节气环流,都是从500hPa层面入手,而很少从850hPa之类的层面来分析。
 楼主| 发表于 2013-3-10 10:18 | 显示全部楼层
而之后的东亚夏季风的形成,和南海夏季风、西太副高脊线位置都有直接关系,这和索马里急流和印度夏季风有关。印度夏季风和青*藏*高*原潜热,又和我国5-6月份内陆暖高有密切关系。

由此可见,这一系列的大气变化都是有内在联系的,陆气耦合、海气耦合、各种涛动一切都存在混沌统一的变化,乍一看无从入手,每年、每时每刻的环流都完全不同,但又有其相似和“规律”的地方。简单来说,有大冷就有大热、有暴雨就有干旱就是最为简单直观的辩证表现。前面已经提到,大气有自我调节平衡的作用,这也是平衡的一种体现。

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发表于 2013-3-10 12:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 114989597 于 2013-3-10 23:53 编辑

文章非常精彩。
文中所说的内容其实已经超越简单的气象学研究所能揭示的东西了,而应上升至哲学高度。
我硕士专业为科学技术哲学专业,哲学学了六年 。一直将气象视为最为混沌的学科之一,对Tom本文中所言的和未言的东西都感同身受,但是我在对科学与哲学关系的研究中始终有一个难题困扰着我,在气象研究中也最为明显。

那就是,在一个混沌的体系中,“不确定性”是宏观表现,但是构成之中不确定性的因子却是以数理逻辑为基础的演绎。这就形成了用确定性来论证不确定性,既然宏观都是不确定的了,那么源头的确定性是从何而来的呢?这是说不通的。
所以,我认为这种研究混沌的方式是有问题的,但是就目前科学界的能力,也只能靠实证方法进行研究,不能不说是一种能力上的遗憾。
辩证思维是需要的,但是就研究混沌来说,单纯的辩证是不够的。辩证是从不同角度来看食物,角度有很多,而且还会变化发展。因此,在辨证中辩证地看问题才能获得更为可靠的信息。我认为,真正的真理是无法去追其的(理工科的别骂我哈)。

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 楼主| 发表于 2013-3-10 15:54 | 显示全部楼层
6# 114989597

LS回复很经典啊!其实LS回复的内容本身就是一种混沌辩证法

混沌简单来说,就是两者完全不同却又对应的属性的结合,例如难与易、顺序与无序、确定与随机等,这就好比大气科学里边的冷与热、干与湿、降温与升温等。

另外,大气科学里边,任何数值推导都必须有一个初始量为基础,随着外推时间的延长,相关性越来越小,误差越来越大。这个特性和混沌也非常类似,最佳例子就是蝴蝶效应。

凡是能计算出来的数值基本都位列宏观,牛顿力学是一个最经典的例子。不过任何计算都是近似值,即使是无限接近,这就是辩证法的体现。大气科学的数值模拟也是同样道理。

大气科学看似每时每刻都不同,时时刻刻在变化,貌似找不到入手点,但无序中存在着有序,不然天气就没法预报,节气展望也无法进行。

PS:真理永远是在无尽的探索-发现-被推翻-继续探索的轮回之中,个人觉得是这样。或许LS的意思是真理相对于时代而存在?这个问题可不能偏激钻牛角尖,不然就有可能成为唯心主义。

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发表于 2013-3-10 23:52 | 显示全部楼层
7# tom.hp


相当有借鉴意义,若tom从形而上的角度来思考一下天气预报以及确定性和不确定性,相信您能更上一层楼对混沌有更深入的了解。
唯物也好,唯心也罢,其实不必分那么清楚。我不是觉得真理具有时代性,而是觉得绝对真理不存在,但是知识是可以累积进化的。我对气象的混沌的看法是,应试图找一种方法去解释以求圆融。依靠数值固然可以获得较为准确的判断,但是将时间拉长便不准确了,240h EC巨型计算机都有那么大误差,而10天对于地球历史又算得了什么呢?是否可以更加重视一下性,譬如二十四节气中的物候;而将量放轻一些。
 楼主| 发表于 2013-3-12 07:54 | 显示全部楼层
7# tom.hp


相当有借鉴意义,若tom从形而上的角度来思考一下天气预报以及确定性和不确定性,相信您能更上一层楼对混沌有更深入的了解。
唯物也好,唯心也罢,其实不必分那么清楚。我不是觉得真理具有时代性, ...
114989597 发表于 2013-3-10 23:52
嘿嘿,LS看待大气环流变化以时间尺度的宏观和微观作为辩证的必要条件确实值得讨论一番。

不过LS把唯心和唯物看成一个整体貌似不太好理解,不过鉴于气象版块的帖子,这方面就不多深入讨论了,LS若有兴趣以后可以单独聊聊或移步Q群。

前两天气温的大起大落,应该可以看成大气环流的自我调节一种表现。当然,气温起伏越大,超过历史极值概率越多,说明大气环流在传达自己已经比较“累”了,希望引起重视。

再按照LS的看法从时间尺度稍长一些来看,2008年以后东亚冬季气温逐渐走低,暖冬结束,也是一种动态平衡的表现;时间尺度再长一些,暖周期、冷周期应该也是如此。

再结合能量守恒定律,地球内能的释放对大气造成的影响也可以看做一个整体,比如火山爆发冷却地球表面也是同样道理。

那么请问LS,地球冰期如何解释呢?
发表于 2013-3-29 20:19 | 显示全部楼层
这就形成了用确定性来论证不确定性,既然宏观都是不确定的了,那么源头的确定性是从何而来的呢?

——不认识就不确定了,微观和宏观两端都是不确定的,因为人类还没认识,自然不以人类意志转移,宇宙不会因为人类活动而改变。

当人类反复定义理论时,今天的AO定义,与我国气温已经无相关性。
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