大气运动的非线性稳定与不稳定问题研究Ξ-大气科学和地球流体力学.PDFVIP

　2001 年 　　中 国 科 学 院 　院　刊 第 6 期　 成果与应用 大气运动的非线性稳定与不稳定 问题研究 穆　穆 (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 　大气运动的非线性不稳定与稳定性 ,分别与天气的剧烈变化和持续性异常密切相关 ,其研究 是数值天气预报、短期气候预测的基础 ,属于大气科学、地球流体力学与非线性科学的交叉学科领 域。我们将能量Casimir 方法与现代非线性偏微分方程理论中的非线性先验估计方法有创新性地 结合起来 ,在该领域取得了突出的成果。该成果获 2001 年中国科学院自然科学奖一等奖。 关 键 词 　大气运动 ,非线性 ,不稳定 　　大气运动的稳定与不稳定研究 ,是动力气象学 旋的生成、阻塞的形成、维持与崩溃等。随着大气 的中心问题之一。稳定与不稳定的大气环流形势 , 科学的迅速发展 ,当今人类密切关心的气候变化与 具有重要的气象意义 ,分别与天气的剧烈变化和持 预测、全球变化等问题 ,也需要应用稳定性理论进 续性异常密切相连。不稳定现象往往伴随着大气 行深入探讨。该领域是大气科学、地球流体力学与 环流形势的比较迅速的、较大的变化 ,导致强烈的 非线性科学的交叉学科领域 ,是数值天气预报、短 天气变化。另一方面 ,大气环流异常的持续维持 , 期气候预测的基础 ,也是当前国际大气科学迅速发 ( 也经常造成大范围地区的天气异常 如某一地区的 展的前沿领域之一。 ) 持续干旱或洪涝灾害 。提高这两类天气现象的预 80 年代以前 ,大气运动的稳定性研究 ,主要使 报准确性 ,一直是数值天气预报的重要课题。深入 用线性正规模方法与弱非线性理论。大气运动 ,特 研究 ,把握不稳定性与稳定性产生、维持及发展的 别是剧烈的天气变化 ,是强非线性的。因此 ,这些 条件及机制 ,是改进、发展新一代数值天气预报模 方法有较强的局限性。随着大气科学与非线性科 式的理论基础 ,有助于提高其对关系国计民生的灾 学的发展 ,80 年代中期以来 ,人们开始使用完整的 害性天气的预报能力和水平。因此 ,稳定与不稳定 非线性模式 ,研究大气运动的非线性稳定性问题。 理论被广泛用来研究大气环流的演变、气旋与反气 曾庆存院士在我国率先开展了这方面的研究。但 收稿日期 :2001 年 11 月 2 日 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 　6 期 大气运动的非线性稳定与不稳定问题研究 　　　 433 是 ,当时该领域得到的非线性稳定性判据 ,大多是 下界面具有非线性边界条件的困难 ,在国际上率先 对应于 Arnold 第一定理的 ,但对于大气运动而言 , 建立了对应于 Arnold 第二定理的非线性稳定性判 恰恰是对应于 Arnold 第二定理的非线性稳定性判 据 ,给出了适用于有限振幅扰动的扰动能量、扰动 据最为重要[1