大气科学中非线性与复杂性研究的进展.pdfVIP

维普资讯 田囊 霉 托 院 刊 第5期 * 学科发展 * 大气科学中非线性与复杂性研究的进展 弓2 弓 J 丑纪范’ (北京气象学院 北京 100081) 摘要 文章从众多 自由度系统的特定时空尺度大气现象与观测事实密切结合的角 度，对大气科学中非线性与复杂性研究的进展进行了评述，依次讨论了从确定论走向 不确定、混沌中的有序和垒球变化等，并就谈领域存在的问题和发展前景进行了探 讨。 关键词 盔 型兰d 21 ，混沌 f手屯『 六乞玩象 1 引言 非线性与复杂性的数学理论多半是低维动力系统，而大气则具有无穷多的自由度。大气科 学中非线性与复杂性研究进展的一个重要标志是这些理论和概念运用于众多自由度的程度。 大气运动变化的复杂性在于其具有各种时空尺度，实际观测资料乃是各种时空尺度变化 加上噪音的结果 各种时空尺度又不是相互独立无关的，而是存在复杂非线性相互作用，这就 提出了一个问题，我们能不能从中抽出一种尺度单独来研究? 对观测到的大气现象作出解释并提出预测方法是理论研究的中心任务，这又提出了一个 问题，能不能用理论植根于观测事实的程度和解释观测事实的程度来考虑大气科学中非线性 与复杂性研究的进展和问题? 大气科学中非线性与复杂性研究的工作很多，范围很广，下面仅从众多自由度系统的特定 时空尺度大气现象与观测事实密切结合的角度进行评述。 2 从确定论出发走向不确定 大气科学的理论是把天气尺度单独抽出来研究而获得突破的，数值天气预报的成功是重 要标志。数值天气预报本来是建立在确定论基础上的。大气科学中非线性与复杂性研究的一 个重要成果是揭示了天气尺度的可预测时段不超过 2—3周。众所周知，Lorenz(1963)在研究 · 中国科学皖院士 收蒋 日期：1997年3月28日 ； 维普资讯 中 国 科 学 院 靛 刊 大气对流的简化模型时揭示了确定论系统的内秉随机性。但那是一个只有三个 自由度的系统。 近年来将混沌的概念引入全球数值天气预报模式，揭示了初始时刻不可避免的误差增长的规 律以及它对季节、地区和初始场的依赖等。 针对数值模拟的实际，把对初值敏感导致的可预报性问题做了推广，提出考虑输入数据对 最终结果的影响，以及在数值天气预报模式中可能存在的结构不稳定问题。也探讨了其改进的 办法。可惜的是未能在实际业务模式中检验。 在可预报时段 内．运用非线性动力学理论可 以证明运用多时刻资料有可能超过观测 (分 析)的误差提高初值的准确性，从而提高数值天气预报的技巧。 对天气尺度的非线性与复杂性的研究似乎集中在可预报性问题上。 3 混沌中的有序 既然大气对初值极其敏感，2—3周后，其状态变得不确定，实际上可能同掷骰子一样成了 随机的。那么，超出确定性可预报期限之后，难道就完全杂乱无章了吗?5O多年前，早期高空天 气图的分析就发现了在固定地理区域内特定天气型的持续和再现。后来提出过指数循环、低频 振荡的概念，前苏联有 自然天气周期和 自然天气季节这样的概念。这些表明2—3周以上的时 间尺度的演变并非完全是无序的。如考虑副热带流型，则副热带高压的季节突变和与之相联的 季风爆发与中断，也可以概括为特定环流型的维持和转换。对月、季乃至年的时间尺度的大气 现象的非线性与复杂性的研究集中在认识持续的天气型，解释其维持的机理，探讨其产生和转 换的规律。换言之，对这个时间尺度而言，大气中除了有天气尺度的混沌分量之外，还有行星尺 度的稳定分量，大气的复杂性就表现在混沌分量与稳定分量之间的非线性作用上。 3．1 依据非线性动力学概念分析实况资料取得了丰硕成果，提出了一些待解释的问薏 如：分析了32个冬季 500hPa的 115