流体力学背景 天气气象系统理论基础

十七世纪三大理论的平行发展，为流体力学的发展铺平了道路。他们是：

（1）流体是阻止固体运动的气体或液体连续物质的概念;

（2）机械能的质量，动量和守恒的运动规律的形成不仅适用于固体，而且也适用于流体的弹性效应（即声音传播）;

（3）微积分的发展。这些科学发展在牛顿（1699年）和莱布尼茨（1693年）的着作中达到高潮。他们的工作继承了前人特别是伽利略，笛卡儿和开普勒的重要实验和智力成果，以及前几代阿基米德的静水压力工作。

“古典”流体力学的发展在十九世纪中叶完成，几乎与热力学原理同时发生。流体力学发展的一些着名学者有D伯努利（1738），丹·朗伯（1752），欧拉（1755），拉格朗日（1781-1789），纳维尔（1882），斯托·诺克斯（1845）和亥姆霍兹（1858,1868））。

在十九世纪末，人们开始重视实际流体（例如Bussines，Kelvin，Raleigh，Plante，Taylor，Schmidt，Heisenberg，Kromogrove和许多其他学者）的湍流不稳定性以及热对流特性。非古典流体动力学在气象学方面的发展始于Eukkonides对环流定理（1898）的系统阐述，首次证明了在大气和海洋中重要的密度变化的动力学效应。

热力学

大气热力学基于70年代以前的经典热力学，仅被认为是对大气动力学的补充。如20世纪40年代提出了暖风发展理论，提出了热成形的概念及其机理表达。同时，假冒位温度等概念的基础上，开发了一个用于天气预报实践的热力学图表。

自20世纪70年代以来，物理学在热力学方面取得了突破性进展。普里高津等。提出了耗散结构的概念和理论，形成布鲁塞尔学派，获得了诺贝尔奖，促进了大气热力学的发展。例如，大气系统的熵平衡理论和热力学熵模型已经被开发出来，并且已经讨论了大气中的自组织现象。提出全球气候是一种最小熵交换系统的概念，从而构建全球模式模拟当前气候。耗散结构是指由非线性机制产生的有序结构，当系统远离均衡状态时，通过系统与外界的能量交换形成并维持，即宏观系统的自组织在非平衡态现象下。台风，龙卷风无疑是一个耗散结构，因为我们必须不断从周围环境中汲取能量才能生存和发展。冯国林等用观测资料的观察表明，他们仍然是一个自组织的批判国家体系。

20世纪80年代以来，随着气候变化和全球变化研究的进展，热力学因素对大气和地球系统的长期行为更为重要，热力学越来越重要。目前几乎所有出版的大气热力学专着都是基于经典力学的范畴。非平衡态热力学在大气科学中的应用取得了一些进展，如研究大气中各种体系的熵平衡，研究大气中的耗散结构。大气中的大气系统和子系统，如温带气旋，热带气候，前方地区等处于非热平衡状态，具有耗散结构特征。

20世纪90年代以来，国内外大气科学对大气熵理论和Fokker-Planck方法求解热力学方程进行了有效的研究，丰富了非线性大气热力学。在这方面也有尝试将动态和动态方程转换成熵表达式。其思想是直接将动态变量作为温度变量来定义熵函数。大气外部能量主要来源于太阳辐射，少量来自地球核心到火山喷发等。因此，大气过程是一个不可逆过程，为此人们进行了理论和模型研究，包括运用简单模式和全球模式进行的对热响应、热惯性、热耗散和非线性过程等问题的研究。