ENSO可预报性研究的一个新方法:条件非线性最优扰动

首先给出了条件非线性最优扰动的概念; 其次, 采用简单的ENSO海-气耦合模式, 通过比较条件非线性最优扰动和线性奇异向量的异同, 揭示出在气候可预报性研究中考察误差增长应该使用非线性模式; 然后, 使用条件非线性最优扰动, 初步研究了该ENSO模式的“春季预报障碍”问题.     

集合预报初始扰动产生的一个新方法: 条件非线性最优扰动

在不考虑模式误差的情况下, 用正压准地转模式探讨了条件非线性最优扰动(奇异向量在非线性框架下的推广)在集合预报中的可能应用. 奇异向量和条件非线性最优扰动被用来产生集合预报试验的初始扰动. 对14 d的预报结果作了比较, 发现用条件非线性最优扰动代替第一奇异向量的集合预报技巧在中期预报范围(6~14 d)明显高于奇异向量法. 该结论是在分析误差为快速增长扰动的条件下得到 的, 即分析误差的非线性发展在预报后期快于奇异向量的非线性发展, 不依赖于分析误差的大小. 通过相似指数和经验正交函数分析, 解释了为什么用新方法产生的集合预报技巧优于奇异向量法.     

条件非线性最优扰动和繁殖向量相结合的一种集合预报方法

集合初始扰动的好坏对集合预报效果有着至关重要的影响.为了产生能够捕捉到初始场不确定性的初始扰动,在不考虑模式误差的情况下,用Lorenz-96模式探讨了条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation,CNOP)在集合预报中的应用,并与传统的增长繁殖模方法(breeding of growing mode,BGM)进行了比较.发现用CNOPs代替2L范数较大的繁殖向量(breeding vectors,BVs)的集合预报技巧明显高于BGM方法.在分析误差是快速增长型扰动的条件下,新方法对预报结果的改善幅度随预报时间的延长而增大,特别是在中期预报范围(6~14 d)内,改善效果更加明显.按照通常距平相关系数(ACC)不小于0.6则视为有效预报的标准,新方法和BGM方法得到的集合预报相对于参照预报而言,都能够将有效预报时间延长4 d左右.     

初始误差和模式误差对ENSO集合预报的影响

基于作者发展的一个ENSO(El Niño-Southern Oscillation)集合预报系统, 利用4组14 a的(单一或集合)回报试验(试验方案按照是否在预报过程中考虑了初始或模式随机误差扰动进行划分), 分别从确定性预报和概率预报角度, 检验和探讨了随机的初始误差扰动和模式误差扰动对ENSO集合预报水平的影响. 试验结果初步表明, 主要体现了模式物理过程不确定性的随机模式误差扰动, 能够在整个12个月预报过程有效地提高集合预报系统的预报水平. 但是对该系统而言, 随机初始误差扰动对预报水平的影响相对较小, 其影响时效主要集中在预报的前3个月左右.     

改善月动力延伸预报水平的一种新途径

从数值模式普遍存在的一个重要预报误差源—— 纬向平均环流入手, 提出了一种改进月动力延伸预报的新途径. 首先, 应用重构相空间理论和非线性时空序列预测方法, 在大量历史资料的基础上构建纬圈平均环流(纬向平均高度场)月尺度逐候非线性动力学区域预报模型; 然后将非线性动力预报和数值模式动力预报结合起来, 即将非线性预报结果转化为模式需要的预报量, 再在模式积分过程中实施过程订正. 试验结果表明, 这种方法不仅有效减少了模式的系统性预报误差, 而且通过波流非线性相互作用, 使部分波分量的预报得到了较明显的改善.     

热带数值预报中的初值问题

一、引言热带质量场与流场之间的平衡关系目前尚不很清楚,因此热带数值预报模式中都采用原始方程而不再作滤波近似,但原始方程对初值十分敏感,初始场上的小扰动很容易增长.有些小扰动是观测误差,另一些是没有天气意义的小波动.有的小扰动具有天气意义,但是很难与没有天气意义的小扰动区分开,在我们的模式中也难以描写它.因此,在初值处理过程中将这     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

同El Nino发生相联系的热带大气系统动能的变化

作者之一首先在1988年指出E1 Nino事件的前期征兆在赤道西太平洋,其后的进一步研究更明确指出,东亚冬季风异常与El Nino有相互作用.通过资料分析和GCM的数值模拟,我们最近又指出热带大气季节内振荡与El Nino也存在明显的相互作用.1 观测资料分析结果就时间尺度而论,我们可以将热带大气运动大致分为三类系统,即天气尺度(3～10d)系统,主要是大范围积云对流的活动;低频系统,主要是季节内(30～60d)振荡;准定常(>90d)系统,包括ENSO循环.1982～1983年及1986～1987年分别发生了El Nino事件,用ECMWF     

末次盛冰期连续3 ka南京降水记录中ENSO周期

通过TIMS-U系测年和纹层计数年代学研究, 建立了18~14 kaBP南京汤山洞穴石笋纹层生长时间序列, 其中18179~14900 aBP时段年纹层生长速率提供了末次盛冰期东亚夏季风锋区年际降水变率信息. 经功率谱分析, 发现该时段存在显著的2~7年周期, 与现今季风降水记录中厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)周期相吻合, 进一步证实ENSO事件可以出现于盛冰期极端寒冷的气候边界条件. 石笋年生长速率的分段功率谱分析表明, ENSO周期的低频信号(4~7年)在18179~14900 aBP时段呈逐渐减弱的趋势, 支持ENSO事件的岁差旋回日辐射驱动模型. 然而, H1事件时ENSO周期信号的重现, 可能说明东亚冬季风的显著增强对El Niño事件具有激发作用.     

聚苯胺溶液的非线性光学效应的研究

由于导电聚合物具有快速响应(10~(-13)s)和非常大的三阶非线性光学系数(10~(-9)-10~(-12)esu)以及它在快速的光开关、非线性记忆元件和光学晶体管等方面的应用前景。因而,最近几年对导电聚合物的三阶非线性光学效应的研究非常活跃。聚苯胺(PANI)由于它独特的掺杂机制,优异的物理化学特性、良好的稳定性以及诱人的应用前景使它成为当今导电聚合物的研究热点。关于PANI及其衍生物的非线性光学效应已有一些报道,我们也研究了聚苯胺膜的三阶非线性光学效应。但是,对其非线性光学     

温盐环流在百年尺度上影响中国气候的一个数值模拟证据

基于使用全耦合模式的末次冰消期(显著的全球增暖阶段)瞬变模拟结果, 通过敏感性试验明确指出温盐环流(Thermohaline Circulation, THC)在百年尺度上大幅度影响中国气候, 特别是在气候突变阶段. 结果表明, 该瞬变模拟中中国地区的气候演变符合古气候资料的纪录, 如Bølling-Allerød(BA)增暖事件期间中国地区的年平均气温大幅度升高; 在敏感性试验中, 当人为限制THC在BA事件期间的变化幅度时, 中国地区的升温幅度明显减小. 结果同时表明, 除温室气体、太阳辐射强度因素外, THC是另外一个在百年尺度上影响中国气候的重要因素.     

初始扰动对数值模式模拟能力的影响

大气和海洋模式数值模拟的结果是否准确, 首先取决于模式的模拟能力. 由于大气和海洋运动本质上是非线性的, 其运动状态依赖于初始场(初值). 模式作为非线性发展方程的离散化形式, 其运动状态仍然依赖于初始场. 初始场的微小变化有可能导致模式的结果完全不同, 甚至使模式丧失模拟能力. 而对大气和海洋运动的实际问题进行数值模拟时, 无论所用的观测资料如何准确, 初始场难免存在着误差. 由于这些误差的存在, 可能会使得模式的结果与实际状态相比大相径庭. 因此, 探讨初始扰动对模式模拟能力的影响就成为大气和海洋科学中的一个热点和难点问题. 正是基于这种情况, 激发了20世纪80, 90年代资料同化技术的快速发展. 通过资料同化的方法对初始场误差进行订正, 极大地改善了初始场的质量, 使其更接近大气和海洋运动的实际状态, 模式的模拟能力得到了一定的提高. 但资料同化的方法到底能在多大程度上改进模式的模拟能力, 到目前为止仍是一个尚未解决的难题.     

运用一维流体太阳风模型预报行星际激波到达时间

基于一维流体太阳风模型, 建立了一个行星际激波扰动传播模型(1D-HD模型), 用来预报行星际激波到达时间. 利用1997年2月到2000年10月间的68个激波事件, 对激波到达地球轨道附近的传播时间进行了预测, 并将结果与STOA, ISPM以及HAFv.2模型所得结果进行了比较. 1D-HD模型给出的相对误差<10%的事件占31%, <30%的事件占75%, <50%的事件占84%. 与STOA, ISPM和HAFv.2模型相比, 对于相同的样本事件来说, 1D-HD模型给出的误差都不大于其他模型, 从而显示了该模型在空间天气实时预报中所具有的潜力.     

夏季北半球平流层环流的模态特征及变化

通过资料分析研究了夏季平流层大气环流的基本时空特征, 并探讨了不同时间尺度变化的主要影响因素. 发现夏季北半球平流层位势高度场主要存在着半球一致型模(EOF1)和环状模(EOF2)两个典型模态. 而第一主模态(半球一致模)在近半个世纪里存在减弱趋势; 全球增暖可能对这种演变趋势有重要的作用. 进一步分析表明, 北半球平流层夏季的第一模态还主要存在年代际准周期变化特征, 其周期分别约为11和22 a, 而第二模态(EOF2)主要存在3和40 a左右的准周期变化特征. 50 hPa第一模态时间系数与太阳活动指数的相关系数达到0.425(通过99%信度检验), 可以认为北半球平流层夏季50 hPa半球一致模(EOF1)的年代际变化主要是由太阳活动所引起的. 关于50 hPa第二模态年际(准3 a)变化的分析表明其与ENSO事件没有直接关系; 但是夏季50 hPa第二模态时间系数与欧亚大陆10月雪盖面积指数间的相关系数达到0.633(通过99%信度检验), 说明北半球平流层夏季50 hPa环状模(EOF2)的年际变化主要可能是由于欧亚大陆前一年10月份的雪盖变化所引起的大气环流异常的持续影响造成的.     

中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化

利用中国1960~2011年资料比较完整的518站逐日气温观测资料,采用非线性局部Lyapunov指数(NLLE)和非线性误差增长理论,定量分析了中国区域月时间尺度平均气温可预报性期限(MTPL)的时空分布和年代际变化特征.分析发现:多年平均的MTPL空间分布存在明显的地域差异,总体来看,东北大部、云南西南部和西北地区东部为可预报性高值区,长江中下游地区及黄淮流域为可预报性低值区;MTPL在各月份的空间分布存在明显的季节变化,总体上表现为冬半年可预报性较低,而夏半年较高;MTPL还具有明显的年代际变化特征,就全国而言,从1970年以来,MTPL具有上升的趋势,在2000年前后出现下降的趋势,尤其是东北地区在1986年之后可预报性显著提高.西北、黄淮、东北MTPL的年代际变化可能与气温的持续性有关.进入21世纪,除南方地区外,大部分地区的MTPL有降低趋势.上述结果为进一步认识我国月尺度气温异常的机理奠定科学基础,并为提高月尺度气温预测能力提供参考.     

ENSO和北极涛动对东亚冬季气候异常的综合影响

利用NCEP/DOE再分析资料以及我国温度和降水台站资料, 以厄尔尼诺和南方涛动(El Niño and Southern Oscillation, ENSO)冷、暖位相的冬季作为背景, 结合北极涛动(Arctic Oscillation, AO)的月际异常, 对两者影响东亚冬季气候异常的综合作用进行了研究. 结果表明, 当El Niño和AO负异常或者La Niña和AO正异常相互配置时, 我国北方气候异常主要受AO影响, 南方气候异常主要受ENSO影响, 并且该气候异常与已经认识到的AO和ENSO影响东亚气候异常的机理相一致. 然而, 当El Niño和AO正异常或者La Niña和AO负异常相互配置时, 尽管我国北方气温仍主要受AO影响, 但我国大部分地区, 特别是南方的气候异常呈现出与已有认识很不一样的变化模态. 进一步的分析认为出现这种差异的原因可能在于平流层和对流层相互作用以及东亚地区中低纬相互作用的不同, 这会导致在前者的冬季, 大气环流主要表现为纬向对称性, 中低纬相互作用偏弱, ENSO和AO对东亚的影响表现出线性的作用; 而在后者的冬季, 则不利于大气环形模态的维持, 导致东亚地区中低纬相互作用偏强, ENSO和AO对东亚的影响呈现出非线性的相互叠加.     

地球自转速率变化的实时快速预报

地球自转速率变化的实时快速预报具有重要的科学意义和实际应用价值. 然而由于地球自转速率复杂变化(或日长变化)的时变特性, 传统的线性时间序列分析方法往往难以取得良好的预报效果. 采用非线性的人工神经网络技术预报日长变化, 网络的拓扑结构由最小均方误差法确定. 考虑到日长变化与大气环流运动间的密切联系, 在神经网络预报模型中首次引入轴向大气角动量的实时预报值, 进行日长变化1~5 d的实时快速预报. 结果表明, 联合日长变化序列和大气角动量预报序列的神经网络模型, 比起单独采用日长变化资料的模型, 预报精度得到显著的提高.     

径向收缩的等离子体的运动不稳定性

近几年来,人们详细地研究过等离子体某些运动状态的不稳定性,如Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性等等。本文先根据雪铲模型讨论收缩效应的运动不稳定性,其次指出,在径向运动情形下,稳定性不只和加速度有关,而且也和速度等其它因素有关,因此,它并不相当于平面情形的Rayleig-Taylor不稳定性。 1.收缩效应的运动不稳定性在雪铲模型里,如果假定在某时刻t_1出现径向、周向和轴向的微扰动γ,θ,z,并以初始时刻to的位置θo、Zo以及时刻t为自变量,则在假定(γ,θ,z)的形式为(γ(t),-iθ(t),-iz(t))eimθo ikzσ之后,就可得到线性化的扰动方程(采用高斯单位)为:     

三维非线性电磁谐振腔的理论分析

具有非线性材料的光和微波器件给出了一系列新现象,有很多潜在的应用,受到人们广泛的关注.已有不少文章研究了波在非线性光波导中的传输,发现其具有自聚焦和双稳的特性.然而,至今尚未见到对含有非线性介质的三维电磁腔的研究报道.另一方面,在研究非线性光波导的诸方法中,最常用的是有限元法,它突破了早期研究非线性光波传输的两点近似(其一为标量近似,其二为非线性特性的平方律近似),采用了全矢量和实际的非线性     

二氧化碳浓度增加情景下耦合气候模式中的ENSO 频率变化及其机制

利用提交给气候变化政府间委员会第四次评估报告的4个耦合气候模式(GFDL/ CM2.0, CNRM/CM3, IPSL/CM4和INM/CM3.0)模拟结果, 分析研究了二氧化碳浓度增加情景导致的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)频率变化及其机制. 结果表明, 作为对二氧化碳浓度增加的响应, 4个耦合气候模式中ENSO频率均呈现出明显的变化, 其中两个模式(GFDL/CM2.0, CNRM/CM3)频率增加, 而另外两个模式(IPSL/CM4, INM/CM3.0)频率减少. ENSO频率变化的这种模式依赖性源于不同模式热带太平洋气候背景态对二氧化碳浓度增加的响应不同, 其中纬向和垂直平均的上层海洋赤道内外背景温度梯度变化对于ENSO频率变化是关键性的. 二氧化碳浓度增加导致了GFDL/CM2.0和CNRM/CM3模式的赤道内外背景海温梯度增加, 根据ENSO形成的充放电振子理论, 这将导致ENSO事件衰亡过程中赤道内外热容量异常交换增多, 赤道热容量的放电速度增快, ENSO事件时间尺度变短, 从而ENSO频率增加; 相反地, 二氧化碳浓度增加导致了IPSL/CM4和INM/CM3.0模式的赤道内外背景海温梯度减少, 则ENSO频率减小.