一个包含外强迫因子的非平稳时间序列的预测方法

气候系统所具有的非平稳性质已经得到越来越多的气象学家的认同. 事实上, 产生非平稳行为的根本原因在于作用在系统上的外部强迫是随时间而变化的. 鉴于此, 本文提出了一个新的非线性和非平稳时间序列的预测方法. 与以往的某些方法最大的不同在于:在建模过程中, 外强迫因子直接参与了预测方程的构建. 还利用时变控制参数条件下,Logistic 映射和Lorenz 方程产生的非平稳时间序列, 对上述方法进行了预测试验. 初步的试验结果表明, 外强迫因子在预测中扮演着与状态变量同等重要的角色, 它们的参与可以有效地改善预测精度.     

多百年际气候变率:观测、理论与模拟研究

长时间序列的代用资料表明,地球气候系统存在着数百年时间尺度的气候变率.这种变率产生的原因及机制一直是困扰气候学家和考古学家的重大科学问题.从全新世中期直至工业革命之前,地球所受的外强迫变化较小,研究这一时期气候系统的长期自然振荡非常重要.本文从观测、理论和模拟研究3个方面对多百年际气候变率的研究现状进行了详细梳理.我们期望能够通过创新性的理论和模式试验方法,勾画多百年际气候变率的空间模态,解密其时间尺度来源,揭示其内在运行机理,取得原创性成果,回答海洋动力学和气候动力学的一些基础科学问题.     

全球变暖对未来气候的影响

300万年前,气候比现在温暖,冰川稀少、海洋广布,天气类型各异.掌握当时气候变暖的根据,气候模拟裴置将有助于预测未来的天气. 在理论上,空气中增加二氧化碳和其它温室气体会使地球变暖,但是没有人知道这种变化有多大.决策者们需要知道在许多预报中哪种预报是最可靠的,但是科学家们还不能分辨哪种预报最可靠.广泛用于气侯研究的各种大气环流模式基于今天的气候条件:预报人员感到,如果他们能通过一年中的各个季节较合理地再现气候,那么这些大气环流模式就是相当可     

多年冻土退化，会是下一个“后天”吗？

由于全球变暖,气候系统极有可能在达到某个临界阈值之后出现整个系统的崩溃,造成类似于电影《后天》中的后果。多年冻土退化被认为是气候系统中一个重要的气候突变要素。在全球变暖的背景下,多年冻土正在迅速退化,并将释放出巨量的碳。多年冻土热融喀斯特现象的存在,并综合其他气候突变因素,有可能在政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的2℃目标以内达到地球系统行星边界的阈值,从而对气候系统产生不可逆的影响。     

气候系统全局分析理论及应用

简要概述了气候系统全局分析理论的思想和主要理论结果, 给出气候系统全局行为定理, 即气候动力学方程组存在全局吸引子, 随着时间的增长气候系统演化到全局吸引子上, 说明气候系统具有向外源强迫的非线性适应过程, 并指出强迫、耗散和非线性对系统长期行为的不同影响, 总结了全局分析理论现有的主要应用, 重点阐述了该理论在气候适应和演变过程、数值模式设计原则及最优数值计算三方面的应用成果.     

东北地区冬半年大雪-暴雪日数气候预测

大雪和暴雪是东北冬半年(前一年11月～次年3月)发生主要的极端天气和气候事件,是我国当前主要的气象灾害之一.此前的研究主要集中于东北大雪和暴雪天气个例的成因和天气预测,对其气候预测研究甚少,因为大雪-暴雪年际变率非常大,气候规律复杂,同时动力模式对中高纬气候预测能力较低,预测非常困难.本文基于东北冬半年大雪和暴雪日数的年际增量的气候变化规律及其影响系统,尝试开展东北地区大雪-暴雪日数的气候预测.本文选取4个具有物理意义的预测因子,包括东北北部地区前期9月土壤湿度异常的陆面过程的影响、表示冬季西北太平洋海气过程的预测因子、前期夏季马斯克林高压和前一年前期冬半年东北暖湿气流,研制东北地区冬半年大雪-暴雪日数气候预测模型,并对预测模型进行1963～2011年(48年)独立样本交叉检验和1983～2010年(28年)独立样本回报检验,两种检验结果均表明该预测模型对东北大雪-暴雪日的年际增量及其距平百分率具有较高的预测能力.48年的交叉检验中,年际增量(距平百分率)相关系数是0.86(0.77),均超过0.01的显著性水平.距平百分率绝对误差是16%,平均均方根误差是20%.本研究结果为东北大雪-暴雪日数的气候预测研究提供一个有效预测方法和预测模型,值得在预测实际业务中试验应用.     

年度数值气候预测系统及其系统性评估

介绍了IAP年度数值气候预测系统,并通过1980～2000年年度集合后报试验,对该预测系统进行了系统性评估.就年度预测而言,夏季气候的可预报性在热带地区较高,热带外地区则较低;500 hPa高度场的可预报性呈带状分布,自热带往中高纬减低,降水场、海平面气压场和地表气温的可预报性则是海洋上高于陆地;在中国区域,可预报性同样以500 hPa高度场最高.相关分析还表明,IAP年度气候预测系统对我国夏季气温的预测能力相对要高于降水,且订正系统可显著提高年度气候预测的技巧.此外,比较年度与跨季度后报结果,发现夏季降水跨季度后报结果要略好于年度后报,且两者的主要差别是在中高纬度地区.     

太阳是地球气候的“发动机”？

一项新研究结果暗示,太阳的变动或许有助于提前几十年预测地球上可能出现的极端气候事件。太阳周期为11年,在此期间太阳活动有明显变化,太阳表面的黑子数量有明显增加。太阳周期是由太阳的磁扰动驱动的,它很可能影响地球的天气系统,特别是厄尔尼诺一南方涛动,这是一种主要跟南半球洪水和旱灾有关的周期性气候模式。科学家认为,太阳很可能是地球气候的“发动机”,     

人类土地利用的历史变化对气候的影响

通过MPM-2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC), 对近1000 a来土地利用对气候的影响进行了模拟, 主要评估人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理作用. 以耕地面积的变化来近似森林砍伐的动态过程, 近300 a来大面积的森林砍伐使全球变冷了0.09~0.16℃, 而北半球年均温降低了0.14~0.22℃, 尤其在春季更为显著. 为了将人类土地利用和其他强迫进行比较, 还模拟了气候系统对温室气体浓度变化的响应. 目前, 植树造林正逐渐成为陆地碳“捕获”以及调节区域气候状况的重要手段, 表明在进行气候变化研究时, 人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理机制是不可被忽略的.     

混沌应用研究的动态及分析

在混沌理论深入研究的同时,人们除了认识混沌现象似乎是“捉摸不定”、像随机性态、长期不可预测、对初值极端敏感的这些特征外,还发现了下面的一些新的特征。首先,一个混沌系统的行为是许多有序行为的集合。但每个有序行为在正常条件下都不占主导地位;或者说,一个混沌吸引区是一些不稳定的周期行为的无穷集合,在正常条件下,这些周期行为由子不稳定性而不占主导地位。近年来已经证明,如果以适当的方式来扰动一个混沌系统,就能促使该系统以它许多有序行为中的一个来起作用,或者说,某一个周期行为变为稳定。其次,混沌现象中的长期不可预测是局部的,对整体而言是确定的,或者说测量一个混沌系统的轨迹并不能预测在遥远的将来某一时刻,该系统将处子吸引区的哪一点上,但是无论在什么时刻去测量它,混沌吸引区整体是保持不变的,人们可以设法将整个混沌吸引区的信号在同步化意义下,获得控制。在某种意义上来说,吸引区是一个混沌系统的本质所在,是那些固定的参数以及那些决定状态变量数值的方程的表征。人们一旦获得了关于一个系统的混沌吸引区的信息,他们就能着手利用混沌。     

DEMETER 耦合气候模式对西北太平洋台风活动及其影响因子的预测效能

利用耦合气候模式实现一步法预测是气候预测的重要发展方向之一. 该研究基于欧洲多模式短期气候集合预测计划(DEMETER)6 个耦合气候模式1974~2001 年回报试验结果, 首先探讨了耦合气候模式对夏季(6~10 月)西北太平洋台风发生密切相关的6 个主要气候因子的预测性能, 在此基础上, 利用这6 个气候因子与台风发生频次的统计关系, 研究了耦合气候模式对西北太平洋台风频次变化的预测技巧. 结果显示, DEMETER 6 个耦合气候模式可以较好地预测影响台风频次的主要气候因子及台风频次本身的变化特征. 进一步的对比研究发现, 这种统计降尺度与耦合模式相结合的预测方法明显好于耦合气候模式的直接预测效能. 此外, 多模式集合平均表现出最优的预测性能. 可见, 采用多模式集合与统计降尺度相结合的预测方法可以大大提升耦合气候模式的预测技巧, 它将成为未来台风预测的重要方向.     

太阳辐射下降可能会导致严冬

一项新的研究发现,周期性太阳辐射下降会在北美和欧洲部分地区引发异常寒冷的冬季气候。这项发现不仅能改善长期气候预测,还有助于各国对暴风雪提前采取应对措施。长期以来,科学家就发现,太阳辐射有11年的周期,期间测量到的太阳表面黑子的辐射量升到最高之后会下降,但要证明此现象与天气有关却较为困难。     

非绝热量子动力学模拟方法及其在凝聚态体系中的应用

密度泛函理论(density functional theory, DFT)可以准确地预测由电子和原子核组成的普通物质的基态电子结构,而当涉及量子体系含时演化的模拟时,比如模拟超快激光与分子或凝聚态体系相互作用的激发态动力学过程,就需要发展实时密度泛函理论(real-time time-dependent density functional theory, rt-TDDFT)和非绝热动力学相结合的新颖计算方法.本文介绍了基于rt-TDDFT的Ehrenfest动力学方法,并结合路径积分分子动力学提出了RPTDAP量子动力学方法. RP-TDAP方法引入了非绝热效应和原子核的量子效应,可以对电子波函数和原子核波包构成的耦合系统进行量子化动力学模拟.这些方法使我们不仅可以准确地理解激发态电子结构、电声相互作用、光致电荷传输、光化学反应等非绝热过程的内在机理,而且可以超越平均场理论给出一个全新的视角来描述原子核的量子行为.本文还应用这些方法研究了几个重要的非绝热动力学现象,说明这些方法可以广泛地用于复杂体系的量子激发超快动力学研究.     

埃塞俄比亚饥荒的幕后黑手

1984年,非洲国家埃塞俄比亚爆发了震惊世界的饥荒.最初一些科学家将灾难原因主要归咎于过度放牧和对土地的粗放式开发,而现在有科学家做出惊人推断:全球变暗是近年来许多气候灾难的幕后黑手,它应该为饥荒和死亡负责.     

解读2021年诺贝尔物理学奖:浅谈Klaus Hasselmann的科学贡献

2021年诺贝尔物理学奖授予了对理解复杂物理系统作出突出贡献的三位科学家,其中包括两位气象学家,分别是德国马克斯普朗克气象研究所的Klaus Hasselmann和美国普林斯顿大学的Syukuro Manabe[1].主要是为了表彰他们对模拟地球气候、定量气候变率和准确预测全球变暖而做出的突出贡献.这是气象学家历史上首...     

未来的气候是怎样模拟的?

<正>这几年,气候变化是街头巷尾的热门话题。比如,今年夏天为什么这么热?或者,大半个冬天都过去了怎么还不见一场雪?科学家对于气候变化及其产生的影响已经有了深刻的认识,进而迫切地要预测未来的气候是怎么变化的,以采取得当的措施尽可能地地趋利避害。预估未来气候变化的假设条件过去科学家认为有90%的可能性,全球暖化是由人类造成的,现在数值已经提高到95%,几乎确定就是人类造成地球"发烧"。政府间气候变化专门委员     

黄土中全氧化铁与气候指标的定量关系

已有的研究工作证明黄土中全氧化铁含量是所有不同状态铁的指标中反映气候变化较好的一个指标,250万年来的全氧化铁记录序列,与深海氧同位素气候曲线具有细节可比性,并揭示出一些陆地气候演化与大洋气候演化不同的特点.但迄今为止,还没有赋予全氧化铁以定量的气候意义.本研究试图通过测定黄土高原不同地点现代表层黄土的全氧化铁含     

回望叶绿素 开发新能源

我们每一个人都知道叶绿素的概念,但是它与能源有什么必然联系?这就是科学家探索和关注的前沿新知.因为人类的生存永远离不开能源.     

复杂、复杂性和混沌边缘

本文讨论了复杂、复杂性和混沌边缘三个概念.就作者理解而言,复杂是指动力系统所表现的至今缺乏深刻理解或基本上还不甚理解的动力学行为;复杂性是指试图从科学观点统一理解上述复杂动力学行为的定性或定量的描述;动力系统复杂行为来源是混沌边缘,这是一个尚待深刻理解的概念.     

IPCC出错,科学没错

<正>IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)的气候影响报告中最近频频被发现出现一些错误,首先是预测喜马拉雅冰川将消失,然后是与极端天气的联系,前不久又被指出一个明显错误的说法:"由于全球变暖的影响,到2020年非洲杂粮作物生产可能减产50%"。对此,一般公众比科学家们更感惊讶。