The climate system and the second law of thermodynamics
热力学第二定律暗示了地球的净熵输出与其内部不可逆的熵产生之间的关系。这一限制的应用为目的，了解地球的气候进行审查。辐射过程和物质过程都是造成气候系统不可逆熵产生的原因。着重于物质过程，气候系统的熵收支，其中占水文循环的多相性。熵收支有助于从热机角度研究大气环流，并已被用来提出对流上升气流速度、热带气旋强度和大气纬向热输送的理论。然而，只有当这些理论正确地解释了与大气中的水的所有相态相关的不可逆的熵产生时，它们才能成功。与这种潮湿的过程中的不可逆性是特别重要的背景下，全球气候变化，其中大气中的水蒸气浓度预计将增加，和最近的事态发展朝着理解大气热机气候变化的响应进行了讨论。最后，简要回顾了变分方法在气候和地球物理流动中的应用，包括利用平衡统计力学预测长寿命相干结构的行为，以及有争议的最大熵产生原理。
2022-01-17 physics.ao-ph
Quantifying uncertainty about global and regional economic impacts of climate change
气候变化的经济影响具有很大的不确定性。两个最重要的不确定因素是气候系统的敏感性和所谓的损害函数，后者将气候变化与经济损害和利益联系起来。尽管人们普遍认识到这些不确定性，但不清楚在全球和区域一级，哪一个最重要。在这里，我们应用不同的损害函数的数据，从气候模式有很大的不同的气候敏感性，并发现气候敏感性和经济损失的不确定性，每度变暖的全球经济影响的重要性相似。增加气候敏感性或损害函数的敏感性都会增加全球的经济损害。然而，在国家一级，影响取决于初始温度以及国家变暖的程度。我们的研究结果强调了在估计未来经济影响时包括这些不确定性的重要性，因为它们对所产生的影响和政策影响都至关重要。
2021-02-25 physics.ao-ph
Bistability of the climate around the habitable zone: a thermodynamic investigation
本文的目标是探索行星气候的潜在多稳定性周围的宜居带。气候系统的热力学进行了彻底的调查非常不同的条件下的能量输入和红外大气不透明度。使用PlaSim，一个类似地球的大气环流模型，太阳常数S* 在1160和1510 Wm-2之间调制，CO2浓度[CO2]在90到2880 ppm之间调制。据观察，在这样的参数范围内的气候是不稳定的，即有两个共存的吸引子，一个特征在于温暖，潮湿的气候（W）和一个完全冻结的海面（雪球地球，SB）。发现（S*，[CO 2]）中的两条过渡线（W \rightarrowSB和SB \rightarrowW）在S* 和[CO 2]的对数之间存在线性关系。W态和SB态的动力学和热力学性质--能量通量、Lorenz能循环、卡诺效率、物质熵产生--有很大的不同：W态受水文循环的支配，潜热在物质熵产生中占主导地位; SB状态主要是干燥的气候，其中热量输送是通过感热通量和熵来实现的，而熵主要是由动能。我们还表明，卡诺效率有规律地增加对W和SB之间的每个过渡，在每个过渡大幅度下降。最后，我们提出了定义明确的经验函数，允许表达的全球非平衡系统的平均地面温度或平均行星排放温度的critical属性。这为提出复杂的非平衡性质的有效参数化和从相对简单的可观察性实际推导出行星系的基本性质的可能性铺平了道路。
2012-07-05 physics.ao-ph
A simplified climate model and maximum entropy production
本文重新讨论了一个简化的基于最大熵产生的气候模式，用变分原理描述了该模式，并给出了Euler-Lagrange方程的解析解.考虑到开放系统中关于最大或最小熵产生的争论，我们证明了使作用积分极值化的解对应于最大值.
2020-10-21 physics.ao-ph physics.geo-ph
The Physics of Climate Variability and Climate Change
气候系统是一个受迫的、耗散的、非线性的、复杂的、非均匀的、处于热力学平衡状态的系统。该系统在时间和空间的许多运动尺度上表现出自然变率，并且受到各种自然和人为的外部强迫的影响。本文回顾了气候现象的观测证据和行星尺度流动的控制方程，以及提出了气候科学中使用的模式层次结构的关键概念。在动力系统理论的应用，一方面，和非平衡统计物理学的最新进展，另一方面，第一次汇集在一起，并显示出相互补充，帮助理解和预测系统的行为。这些互补的观点允许作为随机过程的亚网格尺度现象的自洽处理，以及自然气候变率和强迫气候变化的统一处理，以及气候敏感性，响应和可预测性的关键问题的治疗。
2020-02-26 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.ao-ph
Stochastic thermodynamics and predictability of Ornstein-Uhlenbeck processes: an application to the Madden-Julian Oscillation
University of Bologna（博洛尼亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Colorado（科罗拉多大学）
本文提出OU过程的粗粒化随机热力学框架，应用于MJO，发现可预测性与路径作用相关，且MJO变得更可预测、更不可逆、更活跃。
2026-10-05 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph
Regional impacts poorly constrained by climate sensitivity
本研究针对“热模型应否因高有效气候敏感性（EffCS）被排除在气候影响分析外”的疑问，通过分析多区域多气候驱动因子与EffCS的相关性，发现二者无普适关联，仅基于EffCS选模不合理且会低估气候风险。
2024-04-18 physics.ao-ph
Entropy Production and Coarse Graining of the Climate Fields in a General Circulation Model
我们扩展了气候系统的热力学分析，通过研究在不同的空间和时间尺度上发生的过程所发挥的作用，通过粗粒化的过程。气候场的颗粒化越粗糙，物质熵产生的估计值就越低。换句话说，热力学场的所有空间和时间尺度的可变性对物质熵产生都有积极的贡献。在所有尺度上，温度场与湍流通量辐合产生的加热场呈负相关，而温度场与辐射加热场则相反。此外，后者的相关性更强，这证实了辐射是气候过程的主要驱动力，而物质通量通过耗散过程抑制了由此产生的波动。使用特定的粗粒化程序，可以分离来自动能耗散、垂直感热和潜热通量以及大尺度水平通量对物质熵产生的各种贡献。大部分的熵产生与沿垂直方向发生的不可逆交换有关，忽略场的水平和时间变化对物质熵产生的估计影响很小。这里提出的方法似乎有希望测试气候模型，评估改变参数化和分辨率的影响，并调查系外行星的大气。我们的发现值得在更广泛的背景下进行探讨，因为它们提供了一种理解连续统系统中强迫涨落和耗散过程之间关系的方法。
2013-11-21 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
ACE2-SOM: Coupling an ML atmospheric emulator to a slab ocean and learning the sensitivity of climate to changed CO$_2$
本文将Ai2气候仿真器第2版与平板海洋模型耦合为ACE2-SOM，训练其学习气候对CO₂变化的敏感性，在平衡态推断中准确再现温度、降水及极端事件响应，并揭示非平衡态情景下能量不守恒等问题。
2024-12-30 physics.ao-ph
The third law of thermodynamics or an absolute definition for Entropy. Part 1 : the origin and applications in thermodynamics
这篇文章描述了热力学第三定律。这一定律通常鲜为人知，经常受到谴责，甚至被认为是可选的，与描述天气和气候现象无关。然而，这是不准确的，与科学事实相反。为了更好地理解为什么第三个原理对大气科学很有意义，这里提出了一个相当详尽的历史研究，在另一篇文章中。
2019-11-28 physics.ao-ph physics.geo-ph physics.hist-ph
Precipitation extremes under climate change
极端降水对气候变化的响应被认为是使用理论，模拟和观测的结果，重点是控制响应的物理因素。气候模式的观测和模拟表明，极端降水会因气候变暖而加剧。然而，当对流很重要时，极端降水对变暖的敏感性仍然不确定，热带地区的敏感性可能高于热带外地区。几个物理贡献支配降水极端的反应。热力学的贡献是强大的，很好地理解，但微观物理和动力学的贡献的理论理解仍在发展中。地形降水极值和降雪极值与其他降水极值的反应不同，需要特别注意。突出的研究挑战包括中尺度对流组织的影响、对所考虑的持续时间的依赖以及更好地限制热带降水极端对变暖的敏感性的需要。
2015-03-25 physics.ao-ph
Maximum Entropy Production and Non-Gaussian Climate Variability
地球的大气层处于远离热力学平衡的状态。例如，大尺度赤道到两极的温度梯度是由热带加热、两极冷却和主要由斜压不稳定天气系统驱动的中纬度纬向涡动热通量维持的。基于基本的热力学原理，可以表明，纬向热通量与纬向温度梯度相结合，起到使大气的熵产生最大化的作用。事实上，最大熵产生（MEP）已被成功地用于解释观测到的大气和气候系统其他组成部分的平均状态。然而，大尺度大气环流的一个重要特征是其关于平均值的非高斯变率。本文提出的理论和观测证据表明，在中纬度大气中的一些过程是显着的非高斯最大化熵产生。首先，在介绍基本理论的基础上，证明了非线性表面阻力阻尼的海面风的偏态与MEP原理是一致的。指出中纬度长行星波的波数谱可以用不稳定斜压Eady波的纬向涡动热通量（及相关的熵产生）最大化来粗略解释。最后给出了纬向风和温度异常的非高斯变率增加纬向涡动热通量的观测证据。
2016-03-16 physics.ao-ph
A new diagnostic tool for water, energy and entropy budgets in climate models
这项工作提出了一种新的诊断工具，用于研究气候系统的热力学，具有广泛的应用，从敏感性研究到模型调整。它包括一些分别用于评估内能收支、水文循环、洛伦兹能量循环和物质熵产生的模块。该程序接收地面和大气层顶（TOA）的能量通量作为输入，用于计算大气层顶（TOA）、地面和大气中的能量收支作为残差。经向焓输运也计算从纬向平均能量收支通量的发散，在两个半球的峰值的位置和强度，然后提供作为输出。降雨，降雪和潜热通量作为输入计算水的质量和潜能预算。如果提供陆地-海洋掩模，则分别计算大陆和海洋上的所需数量。该诊断工具还计算洛伦兹能量循环（LEC）及其储存/转换项作为年度平均全球和半球值。为了实现这一点，需要提供对流层水平风速和温度的三维日场作为输入。两种方法已经实施的物质熵产生的计算，一个依赖于在大气中的辐射热通量的收敛（间接方法），一个结合发生在气候系统中的不可逆过程，特别是在边界层中的热通量，水文循环和动能耗散从LEC的残差检索。诊断工具的一个版本被纳入地球系统模型电子评估工具（ESMValTool）社区诊断，以评估即将推出的CMIP 6模型模拟的性能。
2019-02-12 physics.ao-ph physics.class-ph physics.flu-dyn
Impact of humanity on climate change
热力学方法表明，人类生产的总能量破坏了地球的热平衡，并引起反作用，即气候变化，这可以减缓文明的进步。这一结果不仅证实了关于人类在气候变化中所起作用的共识，而且将其量化。地球平均温度的计算是以其能量平衡为基础的，其中包括Stefan-Boltzmann方程的应用。发现并澄清了在使用该公式时的混乱;概述了该法的适用范围。Stefan-Boltzmann方程的应用表明，人类产生的能量约占全球变暖幅度的一半。这一结果应该对环境决策产生强烈影响
2022-09-05 physics.ao-ph
The third law of thermodynamics or an absolute definition for Entropy. Part 2 : definitions and applications
本文是之前一篇论文（Marquet，2019）的第二部分，该论文讨论了通过使用热力学第三定律以绝对方式定义熵的必要性。在这第二部分中，它表明，有必要和兴趣定义一个位温，这是一个同义词的空气绝对熵，有几个可能的新的应用研究气象和气候过程。
2019-11-28 physics.ao-ph physics.geo-ph physics.hist-ph
Present and Last Glacial Maximum climates as states of maximum entropy production
地球和其他行星一样，有着相对较厚的大气层，在局部并不处于辐射平衡状态，地球物理流体（大气和海洋）的能量传输在决定其气候方面起着根本性的作用。使用简单的能量平衡模型，几十年前有人提出，日冕能量通量可能遵循热力学最大熵产生（MEP）原理。在本研究中，我们评估MEP假设的最小气候模式的框架内，仅基于一个强大的辐射计划和MEP原则，没有额外的假设。具体来说，我们表明，通过选择一个足够的辐射交换配方，净交换配方，严格推导的所有物理参数可以执行。MEP原则也扩展到表面能通量，除了纬向能量通量。这里介绍的气候模式速度极快，只需要很少的经验数据，而且不依赖于临时参数化。通过与IPSL耦合的大气-海洋环流模式IPSL_CM4对工业化前气候和末次冰盛期气候的模拟结果进行比较，考察了该模式的有效性范围，发现两者之间存在合理的一致性。除了这一结果对气候模拟的实际意义之外，它还支持这样一种观点，即在一定程度上，气候可以用宏观尺度特征来表征，而不需要计算潜在的微观尺度动力学。
2011-01-17 physics.ao-ph
Habitability and Multistability in Earth-like Planets
我们探讨了宜居带周围行星气候的潜在多稳定性。我们关注的条件让人想起那些地球系统，但我们的调查旨在提出一个一般的方法来处理系外行星。我们提供了一个彻底的分析气候系统的非平衡物理性质，并探讨，使用一个灵活的气候模型，这些属性如何依赖于母星的能量输入，红外大气不透明度，和旋转速率。这是可能的，重现多稳定性的性质，让人想起古气候相关的雪球（SB）温暖（W）的条件。然后，我们研究的W和SB状态的热力学，澄清水文循环的作用，在塑造的不可逆性和效率的W状态，并强调极端多样性的SB状态，在干燥的条件下实现。热力学为研究系统的临界点提供了线索，并引导我们构建参数化，其中主要的热力学性质仅表示为行星排放温度的函数。这样的功能是相当强大的相对于改变的旋转速率的行星从目前的地球的1到它的一半。然后，我们探讨了缓慢旋转和相位锁定的行星的动力学范围。存在一个临界转速，低于该转速时，多稳定性将丧失。这样的临界转速大致对应于锁相2：1条件。因此，如果一颗类地行星与母恒星的相位是1：1，那么只有一种气候状态与给定的天文学和天体物理学参数相一致。这些结果与行星环流的一般理论和适居性的充分必要条件的定义有关。
2013-03-24 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Dynamic and thermodynamic contributions to future extreme-rainfall intensification: a case study for Belgium
Royal Meteorological Institute（比利时皇家气象研究所）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Ghent University（根特大学）
本研究通过Lamb天气类型分类分析，发现比利时未来极端降雨增强主要由热力学因素驱动，而非动力学变化。
2025-02-04 physics.ao-ph
The Runaway Greenhouse: implications for future climate change, geoengineering and planetary atmospheres
最终的气候紧急情况是“失控的温室”：炎热和富含水蒸气的大气层限制了热辐射向太空的排放，导致失控的变暖。只有当地表温度达到1400 K左右并发出近红外线辐射时，变暖才会停止，因为水不是一种好的温室气体。这将蒸发整个海洋并消灭所有行星生命。金星在过去经历了失控的温室效应，我们预计随着太阳光度的增加，地球将在大约20亿年内失控。但是，我们目前改变气候的活动是否会过早地带来这样一场灾难？在这里，我们回顾一下关于失控温室的已知信息来回答这个问题，描述了向外辐射的各种限制以及气候将如何在这些限制之间演变。好消息是，几乎所有的证据都使我们相信，即使在原则上，通过向大气中添加二氧化碳等不可冷凝的温室气体来引发完全失控的温室效应也是不可能的。然而，我们对高温和蒸汽大气的动力学、热力学、辐射传输和云物理学的理解还很薄弱。因此，我们不能完全排除人类行为可能导致过渡的可能性，如果不是完全失控，那么至少是比现在更温暖的气候状态。高气候敏感性可能会提供一个警告。如果我们，或者更有可能是我们遥远的后代，受到失控的温室的威胁，那么反射阳光的地球工程可能是生命的唯一希望。... [2句子削减，以满足arXiv字符限制].失控的温室效应在行星科学和天体生物学中也仍然相关：随着太阳系外行星更小，更接近它们的恒星，一些行星将处于失控的温室效应状态。
2012-01-08 astro-ph.EP physics.ao-ph
Moisture Budgets and Circulation Analogs: Diagnosing Dynamic and Thermodynamic Precipitation Change
University of Oxford（牛津大学）；NSF National Center for Atmospheric Research（美国国家科学基金会国家大气研究中心）
本文通过水分预算分析和构造环流类比两种方法，研究智利中部降水变化的动态和热力因素，评估其在气候预测中的应用效果。
2026-04-24 physics.ao-ph
Perturbing the surface energy balance to emulate the historical pattern of tropical Pacific sea surface temperature trends
本研究通过理想化地表能量平衡扰动实验，量化了五种机制在约0.5K增暖下重现热带太平洋纬向SST梯度增强所需的幅度，为评估气候模式中相关机制缺失提供基线。
2025-08-04 physics.ao-ph
Convective dynamics and the response of precipitation extremes to warming in radiative-convective equilibrium
预计热带极端降水将随着变暖而加强，但由于对对流动力学变化的认识不足，定量估计仍然不确定。这种不确定性在这里通过分析理想化的对流允许模拟的辐射对流平衡长通道的几何形状。在广泛的气候范围内，热力学贡献的变化，瞬时降水极端以下近地表水分，和动态的贡献是积极的和小的，但敏感的域的大小。与极端降水相关的质量通量剖面的形状由条件采样确定，条件采样有利于在垂直饱和度比湿度梯度较大的水平上出现强烈的垂直运动，并且当绘制在基于水分的垂直坐标中时，质量通量剖面会塌陷为跨气候的常见形状。崩溃，强大的微观物理和湍流方案的变化，意味着热力学的贡献，尺度与近地表水分，尽管大量收敛高处，并允许动态的贡献，以定义在一个单一的水平的压力速度。将简化的动力模式与来自卷流模式的垂直速度联系起来，揭示了通道模拟中的小动力模式（<~ 2%/K）是由垂直速度和密度的相反高度依赖性以及云基浮力的缓冲影响造成的，云基浮力随地面温度变化很小。这些结果加强了极端热带降水率对变暖的响应的新图像：约7%/K的热力学模式占主导地位，动力学变化的贡献较小。
2020-04-21 physics.ao-ph
No way out? The double-bind in seeking global prosperity alongside mitigated climate change
在之前的研究中，我引入了一个简单的经济增长模型，该模型旨在与一般的热力学定律保持一致。与传统的经济模式不同，文明只被视为一个混合良好的全球整体，没有对单个国家、经济部门、劳动力或资本投资进行区分。该模型的核心是一个有观测支持的假设，即全球经济目前的一次能源消费率通过一个常数与其历史积累财富的一个非常一般的代表性联系在一起。在这里，这个增长模型耦合到一个线性配方的全球良好混合的大气CO2浓度的演变。虽然非常简单，耦合模型提供了忠实的多十年后推的轨迹在世界总产值（GWP）和二氧化碳。将模型扩展到未来，该模型表明，众所周知的IPCC SRES情景大大低估了未来经济繁荣的给定水平下二氧化碳水平将上升多少。首先，全球二氧化碳排放率不能通过效率提高与财富脱钩。另一方面，就像一场长期的自然灾害一样，未来的温室效应预计将成为全球财富实际增长的通胀拖累。为了使大气中的二氧化碳浓度保持在450 ppmv的“危险”水平以下，模型预测表明，必须将不切实际的快速能源脱碳速度和全球文明财富的几乎立即减少结合起来。实际上，文明似乎陷入了双重困境。如果文明在本世纪没有迅速崩溃，那么二氧化碳水平最终可能会超过1000 ppmv;但是，如果二氧化碳水平上升这么多，那么文明将逐渐走向崩溃的风险。
2012-01-06 physics.ao-ph physics.soc-ph
Vertical Temperature Profiles at Maximum Entropy Production with a Net Exchange Radiative Formulation
就像任何从下面加热的流体一样，大气层也会受到垂直不稳定的影响，从而引发对流。对流发生在小的时间和空间尺度上，这使得它成为一个具有挑战性的特点，包括在气候模式。通常需要子网格参数化。在这里，我们开发了一个全球热力学变分原理的基础上的另一种观点。通过最大化相关的熵产生率，我们以隐式的方式计算稳态下的对流通量分布和温度分布。两个设置检查，分别对应于理想化的情况下的灰色大气，和一个现实的情况下，基于净交换公式辐射计划。在第二种情况下，我们也能够讨论大气成分变化的影响，如二氧化碳浓度加倍。
2013-01-08 physics.ao-ph
