气候系统热力学性质的新结果

在本文中，我们利用行星系统中物质熵产生平均率的两种等价表述，提出了一种将垂直过程和水平过程贡献进行近似分离的方法。我们的方法仅基于一般行星体表面和大气顶部的二维辐射场。仅使用大气顶部的二维场，我们推导出了物质熵产生率和洛伦兹能量循环强度的下界。通过引入行星系统相对于水平热力学过程的效率度量，我们为先前关于定义从经向热通量提取功的斜压热机可能性的直觉提供了见解。物质熵产生的近似公式得到了验证，并用于研究PCMDI/CMIP3数据集中气候模型(CMs)在工业化前气候条件下的全局热力学性质。研究发现，约90%的物质熵产生来自对流等垂直过程，而大尺度经向热输送仅贡献约10%。总物质熵产生典型值为55 mWK⁻¹m⁻²，差异约为5%，且气候模型的斜压效率集中在0.055左右。在考察所考虑的热力学量的变率和协变率时，气候模型之间的一致性较差，这表明对反馈的描述更具不确定性。