图1. 地球能量收支示意图。地球接受太阳辐射(
R
in
),辐射量可以根据地日距离精确计算。大部分太阳辐射被地球表面吸收,部分被冰和云反射回来(
R
out
)。地球会基于其温度向外发出红外辐射,因而平衡了太阳辐射和反射
R
in
-R
out
。[来源:作者]
要解决这个问题,可以参考最简单的气候模型,该模型涉及地球表面能量收支(图1)。太阳提供的入射辐射(
R
in
)中,部分被地球表面(冰、云和其他表面效应)反射(
R
out
)到太空。净入射辐射
R
in
-R
out
使地球表面升温,发出红外辐射。知道了净入射辐射,就可以利用辐射与温度间的相关性来估算全球范围内的地面温度。在定常状态下,地球的红外辐射刚好平衡净入射辐射
R
in
-R
out
。由此可以很好地估算出平均全球温度。目前,地球处于间冰期,对应的均温约为15℃(详见
《地球平均温度》
)。
尽管出射的红外辐射中有一部分被大气中的温室气体吸收,但净发射量是温度的递增函数,接近于
T
4
下的黑体表达式(详见
《黑体的热辐射》
)。这种关系在图2中被画成了
T
的线性函数。至于反射辐射,它在很大程度上取决于积雪的覆盖面积,因为雪能够比地面和自由流动的水更有效地反射光线。因此,入射通量
R
in
-R
out
也随着温度的升高而增加。正如布迪科(Budyko)
[2]
和赛勒斯(Sellers)的研究所示,随着北美和欧亚大陆上广阔冰盖的融化,这种增长是相当急剧的,体现为图2中的黑色曲线。
在图2中,定常状态对应于两条曲线的三个交点。然而,中间点代表了一个不稳定的状态:离开该驻点的温度小幅上升会导致入射辐射
R
in
-R
out
过量,使温度进一步上升,直到系统到达温暖的稳定点。同样,温度的轻微下降也会被放大,并最终使系统到达代表冰川气候的寒冷稳定点。因此,该模型为两种稳定状态提供了一个简单的概念解释。在最初的布迪科-赛勒斯(Budyko-Sellers)模型中,冰川状态是指冰雪覆盖的地球。对应的是极端低温,在过去一百万年的古气候记录中从未观察到。
图2. 本齐等人的辐射平衡模型简图,其灵感来自布迪科-赛勒斯模型。黑线表示净入射辐射(
R
in
-R
out
),红线表示红外辐射。两条曲线在三个点上相交:两端的绿色点代表稳定的气候状态,中间的灰色点则代表不稳定的状态。右侧面板详细展现了较温暖状态。其中,虚线表示太阳辐射的米兰科维奇变化:平均气候状态降温0.2℃。[来源:作者]
乍看之下,人们可能会认为,米兰科维奇周期能够解释古气候记录中观察到的准周期性行为。然而,有一个困扰了科学家们几十年的大问题:米兰科维奇的太阳入射辐射的波动极其微弱,只有0.1%的数量级。这种微小的入射辐射
R
in
-R
out
变化仅会导致约0.2℃的温度变化,比记录中冰川期和间冰期的温差要小得多。
图6. 多重分形信号示例,分别为湍流(上)和金融市场(下)。对信号的分析基于直方图,其中横轴代表曲线上不同两点的高度差值。对于湍流,差值的尺度可以柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)尺度(即最小涡的尺度)的倍数来表示;而对于金融市场(此处为两种货币之间的汇率),时间间隔则以小时表示。(直方图取自S. Ghashghaie, W. Breymannt, J. Peinke, P. Talkner &Y. Dodgell (1996), Nature 381)
要掌握信号的多尺度结构,一种自然方法就是研究相隔给定距离Δ
r
的两点之间的速度差Δv。方差(|Δv|
2
的平均值)即表示能量在不同尺度间的分布
[9]
。
然而,这一方法并不全面,没有将稀少且强烈的涡和具有相同全局能量但充满空间的大涡区分开来(相关信息详见图6右侧的概率分布直方图)。这些直方图的“长尾”代表了稀少且强烈的涡旋。随着间距Δ
r
的减小,频率不断增加,说明小涡旋很稀疏。这就是间歇性的本质。在直方图中,如果横轴考虑时间间隔Δt而非距离,则可以对任何时间序列进行类似分析,如图6中关于金融市场的分析。图中尾部表示在给定的时间间隔内大幅下跌或上涨的概率,与风险管理直接相关。
再回到湍流的问题上,这些尾部可以利用|Δv|
p
(p阶矩)的平均值来评估。p阶越高,该值对大的波动就越来越敏感,其对间距Δ
r
的依赖称为结构函数,能够体现涡间歇性的特征。在K41描述的真正自相似级串中,p阶结构函数表现为幂律Δ
r
p/3
(图7)。实验表明,对指数ζ(p)小于p/3的幂律|Δr|
ζ(p)
而言:在小间距Δr的极限下,高阶矩相对较强,这在实际上量化了间歇性。
图7. 柯尔莫哥洛夫将“结构函数”Sp(Δ
r
)的标度指数ζ(p)定义为在距离Δ
r
(沿Δ
r
方向投影)上速度增量的p阶(统计)矩。这里假定湍流是均匀(平移不变)各向同性(旋转不变)的。结构函数Sp(Δ
r
),大致是一个幂律|Δ
r
|
ζ(p)
。K41是第一个柯尔莫哥洛夫理论,其中Sp(Δ
r
)与|Δ
r
|
p/3
成正比。β模型显示了弗里希-苏莱姆-内尔金(Frisch-Sulem-Nelkin)(1978)的结果,它具有单一的分形维数。黑色三角形是安索梅(Anselmet)等人(1984)的实验数据。这些数据现在仍然是多重分形模型的基准。对数正态模型(K61)提供了第一种确定间歇性的方法,但对于大指数p来说,ζ(p)的减少与数学上的情况是不一致的。
1983年夏天,乔治·帕里西和乌里尔·弗里希参加了意大利瓦伦纳的暑期班,主题是“地球物理流体动力学和气候动力学中的湍流和可预测性”。F. Anselmet, Y. Gagne, E.J. Hopfinger, R.A. Antonia的实验数据
[11]
几乎不能与单个分形兼容(如图7所示)。乔治·帕里西凭着非凡的物理直觉,提出了一个多重分形模型来对其进行解释。这种一致性依赖于拟合参数,但背后的分析揭示了深刻的数学属性。
[2]
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This variance is related to the « energy spectrum » which can be obtained also from the Fourier transform of the
[10]
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