大气流动与大气气溶胶粒径分布的一般系统理论

大气流动表现出自相似的分形时空涨落，表现为全球云覆盖模式的分形几何以及风速、温度、降雨量等气象参数功率谱的逆幂律形式。功率谱的逆幂律形式表明存在长程时空相关性或非局域联系，并且是自然界动力系统（如河流流动、种群动态、心跳模式等）中自组织临界性的标志。作者发展了一个一般系统理论，该理论将观测到的自组织临界性预测为动力系统中类量子混沌的标志。模型预测如下：(i) 分形涨落可分解为一个整体的对数螺旋轨迹，其内部结构为准周期彭罗斯铺砌图案。(ii) 概率分布代表分形涨落的功率（方差）谱，并遵循包含黄金分割的通用逆幂律形式。这种将涡旋的加性振幅平方后表示概率分布的结果，在量子系统（如电子或光子）的亚原子动力学中也被观测到。因此，不规则或不可预测的分形涨落表现出类量子混沌。(iii) 大气气溶胶通过垂直速度分布（谱）悬浮。大气气溶胶粒径谱根据表征大气涡旋能量谱的通用逆幂律导出。模型预测的谱与以下两组实验确定的大气气溶胶数据一致：(i) SAFARI 2000 CV-580 气溶胶数据，2000 年旱季 (CARG)；(ii) 世界数据中心气溶胶数据集，涵盖 Ny Ålesund、Pallas 和 Hohenpeissenberg 三个站点。