气象预报的方法与不确定性

根据历史上有关气象的文字记载,结合大气科学发展的历史和现状,以深入浅出的方式回顾了气象预报制作方法的变更与发展,概述了当前业务预报的水平和相关研究的主要进展。针对数值预报,讨论了导致气象预报结果不确定性的主要原因,并通过介绍集合预报,对公众应当如何理解和使用预报产品提出了看法。

条件非线性最优扰动方法在适应性观测研究中的初步应用

针对适应性观测中敏感性区域的确定问题,考虑初始误差对预报结果的影响,比较了条件非线性最优扰动(CNOP)与第一线性奇异向量(FSV)在两个降水个例中的空间结构的差异,考察了它们总能量范数随时间发展演变的异同。结合敏感性试验的分析,揭示了预报结果对CNOP类型的初始误差的敏感性要大于对FSV类型的初始误差的敏感性,因而减少初值中CNOP类型误差的振幅比减少FSV类型的收益要大。这一结果表明可以把CNOP方法应用于适应性观测来识别大气的敏感区。关于将CNOP方法有效地应用于适应性观测所面临的挑战及需要采取的对策等也进行了讨论。

地球流体力学的研究与进展

简要介绍中国科学院大气物理研究所七十多年来在理论与计算地球流体力学方面的若干研究及其新的进展。在理论地球流体力学方面,介绍了长波动力学及线性稳定性问题、弱非线性理论及行星波动力学以及用Arnold方法(能量-Casimir方法)研究大气和海洋中各种流体运动的非线性稳定性问题的成果。此外,对扰动演变、扰动和基流相互作用及热带大气动力学中的第二类不稳定条件(CISK)也作了简要的介绍。在计算地球流体力学方面,主要内容包括:用物理观点和数学分析相结合的方法阐述了造成计算紊乱和计算不稳定的机理,论证计算稳定性、算子非负性和能量守恒性之间的密切关系,对国际上流行的瞬时能量守恒的格式找到非线性计算不稳定的特解;设计出一批内部协调并且具有完全总能量守恒的差分格式(包括隐式的、显式的和高精度的),发展了多种经济省时算法等等。此外,对近年来新发展的总能量守恒的半拉格朗日格式,多守恒格式及辛几何算法重点作了介绍。

条件非线性最优扰动法在大气与海洋目标观测研究中的应用

对近年来用条件非线性最优扰动法研究大气与海洋目标观测问题的部分工作进行了总结,主要涉及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件、黑潮路径变异事件以及阻塞事件。通过研究这些事件发生的最优前期征兆(OPR)和最快增长初始误差(OGE),发现这些事件的最优前期征兆和最快增长初始误差分别具有空间的高度相似性及其伴随的局地性特征。理想回报试验表明,如果在ENSO事件和黑潮路径变异事件的最快增长初始误差和最优前期征兆所确定的扰动大值区减小初始场误差,上述事件的预报技巧会大幅度提高;最优前期征兆和最快增长初始误差的空间相似性使得在同一敏感区域增加额外观测,不仅有助于捕捉上述异常事件的前期信号,还可以有效减小初始误差,从而提高对该事件的预报技巧。阻塞事件爆发的最优前期征兆和最快增长初始误差的空间相似性和局地性特征在其目标观测研究中的应用,应该是深入研究的课题。

条件非线性最优扰动在可预报性问题研究中的应用

本文总结了近年来条件非线性最优扰动方法的应用研究的主要进展。主要包括四个方面:(1)将条件非线性最优扰动(CNOP)方法拓展到既考虑初始扰动又考虑模式参数扰动,形成了拓展的CNOP方法。拓展的CNOP方法不仅能够应用于研究分别由初始误差和模式参数误差导致的可预报性问题,而且能够用于探讨初始误差和模式参数误差同时存在的情形;(2)将拓展的CNOP方法分别应用于ENSO和黑潮可预报性研究,考察了初始误差和模式参数误差对其可预报性的影响,揭示了初始误差在导致ENSO和黑潮大弯曲路径预报不确定性中的重要作用;(3)考察了阻塞事件发生的最优前期征兆(OPR)以及导致其预报不确定性的最优增长初始误差(OGR),揭示了OPR和OGR空间模态及其演变机制的相似性及其局地性特征;(4)研究了台风预报的目标观测问题,用CNOP方法确定了台风预报的目标观测敏感区,通过观测系统模拟试验(OSSEs)和/或观测系统试验(OSEs),表明了CNOP敏感区在改进台风预报中的有效性。具体地,台风OGR的主要误差分布在某一特定区域,空间分布具有明显的局地性特征,在台风OGR的局地性区域增加观测,有效改进了台风的预报技巧,该区域代表了台风预报的初值敏感区。事实上,上述ElNi?o事件、黑潮路径变异以及阻塞事件的OGR的空间分布也具有明显的局地性特征,这些事件的OGR刻画的局地性区域可能也代表了初值敏感区。

大气运动非线性稳定性研究中的能量-Casimir方法

介绍使用能量－Ｃａｓｉｍｉｒ方法（Ａｒｎｏｌ＇ｄ方法）研究大气与海洋运动非线性稳定性所取得的若干新进展，建立了适用于有限振幅、任意空间结构扰动的非线性稳定性判据．用初始状态给出了扰动场在任意时刻的上界与下界估计，提供了关于扰动变化性态的有关信息．对该领域理论研究与应用的深化与发展问题也作了讨论．

大气运动非线性不稳定性研究的若干新进展

本文简要介绍了近年来运用Ａｒｎｏｌｄ方法（能量—Ｃａｓｉｍｉｒ方法）研究大气运动非线性不稳定性所取得的若干新进展，讨论了该理论深人发展的前景及其应用问题。

基于CNOP方法的台风目标观测研究进展

简要但系统地介绍了条件非线性最优扰动(CNOP)方法在台风目标观测方面的研究进展。CNOP方法是线性奇异向量(SV)方法在非线性领域的一个拓展。在台风目标观测的研究中,该方法主要用来识别对台风预报有重要影响的敏感区,从而可以在这些敏感区内增加观测,改进初始场以提高预报技巧。首先回顾了CNOP方法在台风目标观测中应用的理论基础,接着阐述了CNOP识别的敏感区受模式分辨率、验证区域的设计、优化时长的选取等因素的影响,并给出了利用观测系统模拟试验(OSSE)和观测系统试验(OSE)对CNOP识别的敏感区有效性检验的结果,进一步评述了将CNOP方法应用于实际天气业务预报中进行敏感区识别的可能性,最后对CNOP方法在台风目标观测中的深入应用进行了总结和讨论。

加强目标观测,服务防灾减灾

以深入浅出的方式介绍了目标观测的定义、历史、确定目标观测敏感区的方法,以及实施目标观测与防灾减灾的关系;并以欧洲中期天气预报中心目标观测业务化为例,简明地概括了目标观测的实施过程;结合国内目标观测研究现状,对中国目标观测的未来提出了看法。

两维准地转运动的非线性稳定性判据

一、引言本文研究大气与海洋中由两维涡度方程描述的准地转运动的非线性稳定性问题.与已有文献中有关结果相比较,本文得到的非线性稳定性判据具下述特点:1.Zeng 系统地研究了大气中各类运动的非线性稳定性问题.在文献[7]中,作者们得到了适用于初值与模式中参数扰动的稳定性判据(迄今国外有关结果仅考虑了初值的扰动).本文在文献[6,7]的基础上,得到了适用于初值与参数扰动的稳定性判据;2.McIntyre 等在仅考虑初值扰动的条件下,研究了二阶变分不定号时流体的稳定性.

非线性稳定性与奇异值的关系

研究了奇异值的大小与基流的非线性稳定性和不稳定性的关系.结果表明,它们两者之间存在很好的对应关系;奇异值的大小随着基流的稳定性(不稳定性)加强而变小(增大).稳定情形下最大奇异值明显小于不稳定情形下的最大奇异值.

椭圆—抛物复合型方程的一类边值问题

本文考察椭圆-抛物复合型方程的一类边值问题。文中引进了一类适合讨论该问题的Sobolev空间;利用经典的椭圆正则性定理与抛物正则性定理,通过考察边值问题解在边界上迹的正则性,结合闭图象定理建立了先验估计,从而得到了边值问题存在C~∞解的一个充要条件。

一个退缩椭圆型方程的边值问题

§1.引言在数值天气预报的理论研究与实际预报业务中。

多层准地转流体的对应于Arnold第二定理的非线性稳定性判据

一、模式多层准地转模式是地球流体力学中的一个重要模式.对于由该模式描述的多层准地转运动,文献得到了若干对应于Aanold第一定理的非线性稳定性判据,文献也成功地建立了对应于Arnold第二定理的非线性稳定性判据.本文利用精细的先验估计方法,建立了该类运动的一个新的对应于Arnold第二定理的非线性稳定性判据,它优于文献中的判据4.2. 将流体在垂直方向分成N层,在每一层中密度为ρ_i(常数),其密度自上而下递增:ρ_1<…<ρ_N·在每相邻两层之间的密度跃度相等的条件下(即ρ_k-ρ_(k-1)=ρ_(k-1)-ρ_(k-2),k=3,…,N),N层准地转模式为:

影响我国短期气候异常的关键区:亚印太交汇区

围绕国家重点基础研究发展计划项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”,介绍了“亚印太交汇区”(AIPO)的概念,从气候系统多圈层相互作用的角度,阐述了研究AIPO区海气相互作用的科学意义;在分析国内外海气相互作用影响气候研究发展动态的基础上,指出AIPO区是影响我国短期气候的关键区;研究AIPO区海气相互作用对我国短期气候的影响也是国民经济发展需要亟待解决的重要课题。介绍了项目拟研究的关键科学问题,指出该项目的最终研究目标为:揭示AIPO季节到年际尺度的海气相互作用特征,从而提出该关键区海气相互作用影响我国短期气候异常的理论框架,为改进东亚季风的季度—年际变化预测提供理论和方法。

ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(ElNio和LaNia)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;ElNio的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,ElNio持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。用非线性最优化方法研究ElNi～no-南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中"平衡的"多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。

β平面上三维准地转运动的非线性稳定性判据

本文考察β平面近似下三维准地转运动的非线性稳定性.文中建立了适用于初值与参数扰动的非线性稳定性判据.特别,在验证已有文献中的有关判据时,必须确定一个变系数三维椭圆型偏微分方程的最小特征值;在应用本文所得到的对应判据时,仅需确定二维Laplace方程的最小特征值.

用非线性最优化方法研究El Nio可预报性的进展与前瞻

综述用非线性优化方法研究厄尔尼诺(El Ni^no)南方涛动(ENSO)事件可预报性的进展。针对ENSO可预报性研究中的热点问题———“前期征兆”、“春季可预报性障碍”,以及如何量化研究ENSO可预报性和ENSO的不对称性问题,作者在近年来的工作中先后用理论模式和中等复杂程度ENSO模式研究了ENSO可预报性的动力学,揭示了ENSO的若干重要非线性特征。主要结果如下:(1)条件非线性最优扰动(CNOP)(局部CNOP)比线性奇异向量更易发展成ENSO事件,扮演了ENSO的最优前期征兆。这些ENSO事件关于气候平均态是不对称的。理论分析表明,非线性温度平流过程是造成这种不对称性的重要原因。1980~2002年的海洋再分析资料验证了上述理论结果。(2)ENSO事件CNOP型初始误差的发展有明显的季节依赖性,该误差导致了ENSO事件最显著的春季可预报性障碍(SPB)现象。ENSO事件SPB的发生不仅依赖于气候平均态,而且依赖于ENSO事件本身及其初始误差模态,是三者综合作用的结果。(3)建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示了ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了其可预报性。(4)通过CNOP方法,揭示了非线性温度平流在年代际尺度ENSO不对称性研究中的重要作用,解释了ENSO不对称性的年代际变化,基于所用ENSO模式给出了ENSO不对称性年代际变化的机制。最后,展望了非线性优化方法在ENSO可预报性中应用的前景,并期望该方法能拓展到ENSO第二类可预报性问题的研究中。

非线性优化方法在大气和海洋科学数值研究中的若干应用

控制大气和海洋运动的模式是复杂的非线性模式,在考虑到线性奇异向量和线性奇异值只能描述切线性模式有效时段内小扰动发展的情况下,介绍了作者们近年来用非线性优化方法数值研究大气和海洋科学的有关工作,其中包括非线性奇异向量和非线性奇异值、条件非线性最优扰动、以及它们在数值天气和气候可预报性研究中的应用· 结果表明,上述非线性优化方法在很大程度上揭示了大气和海洋运动的非线性特征;此外,对可预报性问题的新分类也做了详细介绍,即最大可预报时间、最大预报误差和最大允许初始误差· 这种分类的应用背景是针对数值天气预报和气候预测产品的评价;最后,讨论了数值模式敏感性分析的非线性优化方法,该方法在一定条件下可以定量识别模式误差和初始误差。

温盐环流稳定性以及年代际变率的研究进展

对近期国内外有关温盐环流的模拟研究作了综合评述,着重介绍温盐环流的稳定性、多平衡态及其转化以及年代际变率问题的研究进展。