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非线性误差增长理论及可预报性研究+
丁瑞强 李建平
(中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京,100029)
摘要
对非线性系统的误差发展方程不作线性化近似,直接用原始的误差发展方程来研究初始误差的发展,
提出了非线性误差增长理论。首先.在相空间中定义一个非线性误差传播算子,初始误差在这个算于的作
用下,可以非线性发展成任意时刻的误差;然后.在此基础上,引入了非线性局部Lyapunov指数的概念。
由平均非线性局部Lyap帅ov指数可以得到误差平均相埘增长随时间的演变情况;对于一个混沌系统.误差
平均相对增长被证明将趋于一个饱和值,利用这个饱和值,混沌系统的可预报期限可以被定量地被确定。
非线性误差增长理论可以应用于有限尺度大小初始扰动的可预报性研究,较线性误差增长理论冉明显的优
越性。
关键词:非线性,Ly印咖ov指数,混沌,Logistic映射,L0fenz系统
1引言
混沌系统对初始条件的敏感性意味着长期行为的不可预测性,但是系统的短期行为还是
可以预测的。如何定量地估计混沌系统的可预报期限虽然比较困难,却有非常重要的现实意
义‘1‘21。最大Lyapullov指数可以刻画混沌系统预报误差的整体(长期)平均增长速率.其倒
数过去被近似表示为最大可预报时间长度”】。然而,实际情形证明这个统计量过分简单化
【6】。因为通常我们所关心的不是整体平均,有时即使是整体平均。也更加关心有限时间内的
行为.就有必要研究吸引子的局部动力特征。后来一些人提出用局部或有限时间Lyapunov
指数度量相空间的局部可预报性17.9l。其定义是在有限时间内初始误差的平均增长率。相对
于全局Lyapunov指数.局部Lyapunov指数可以更有效地度量可预报性.因为它可以展示吸
引子的时空结构,这种结构可用来判定临近轨道的发散(收缩)率,从而确定可预报性高(低)
的区域。但是,局部Lyapunov指数本质上与全局Lyapunov指数相同,都假设初始扰动无限
小,以至其发展近似满足切线性方程,都属于线性误差增长理论的范畴。已有的研究表明
110川,线性误差增长理论存在着很大的缺陷和不足。这一点下面将作进一步讨论。
针对线性误差增长理论的局限性.本文对非线性系统的误差发展方程不作线性化近似,
直接用原始的误差发展方程来研究初始误差的发展,首次引进了非线性局部Lyapunov指数的
‘资助项目 国家杰出青年科学基
概念。发展了非线性误差增长理论。通过应用于Logistic映射和L0renz系统,结果表明了非
线性误差增长理论较线性理论有明显的优越性,可以很好地表征有限尺度大小初始扰动的增
长,能够定量地估计混沌系统的可预报期限,更适合于可预报性的研究。
2线性误差增长理论及其局限性
对于一个,l维非线性动力系统
掣;F(x(f)), (1)
其中X(f)=(^(f),屯(,),……,吒(f))7。设相空间中一条相轨迹的初始状态位于点Xo,其
Xo+6(O)发展为X(f)+6(r):那么,误差6在相空问里随时间的演化满足:
皇竺=J(x)6+G(x,6), (2)
为了避开非线性的困难。过去研究假设初始误差无限小,认为误差6在相空间里随时间的演
化近似受切线性方程控制嘲:
霉:J(x)6. (3)
这本质上是在相空间中定义一个线性误差传播算子Il(Xo,f)搠,误差增长函数6满足:
6。(f)=p(Xo,f)6(O). (4)
并由此来定义系统的最大Ly印unov指数:
小蜮cx∥…骢÷·n谢。 ㈣
这里九(Xo,f)为局部或有限时间Lyapunov指数,与相空间的初始位置Xo和时间钾i关。由
于遍历性原理,最大Lyapunov指数h并不依赖于xo㈣。
为了说明线性误差增长理论的局限性,下面给出了Logistic映射的例子。Logisdc映射
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