IPCC第五次评估报告不确定性处理方法的介绍

由于自然气候系统极端复杂,具有内在混沌的特性,并包括各种时间尺度的非线性反馈,因此,气候变化无论观测,还是预估都存在不确定性。一些不确定性可用某些数值范围来表述,而另一些不确定性则可表述为专家对某些科学发现认识的信度。每一种不确定性的评估都需要专家进行判断,后一     

关于大气过程可预报性问题的一些讨论

从非线性角度重新解读了von Neumann提出的大气运动三个分类，指出大气过程预报问题中存在两类不确定性——初始条件的不确定性和外强迫条件的不确定性，它们分别成为第一类可预报性与第二类可预报性问题的研究对象。强调了大气过程可预报性的客观存在性，由于大气过程的复杂性及人类观测手段和认识水平的限制，人们只能给出这些可预报性的估计，逐日天气预报存在上限(2周左右)。分析了预报误差产生的来源是初始条件的不确定性和预报模式的不完善性，但根本原因是大气过程的混沌本质；还分析了混沌系统误差增长理论，但由于实际大气过程包含很多显著不同的时空尺度以及不同尺度间的相互作用，人们对大气过程复杂的误差增长规律的认识还不是很清楚；最后讨论了动力学数值模式中不同的空间分辨率会改变系统的性质，指出可预报性问题的研究必须考虑空间分辨率的影响。而在讨论初值不确定性对预报的影响时，不需要考虑控制参数微小变化产生的影响，当然条件是控制参数的微小变化不会引起系统性质的重大变化。     

Lorenz混沌吸引子发现的方法论分析

简要回顾了20世纪中叶气象学家洛伦茨(E.N.Lorenz)研究混沌现象的历程,梳理其中主要事件及其发生脉络,剖析他的研究思路和科学方法特点,绘制出他研究发现的技术路线图,分析了科学方法论在其中的作用和意义.结果显示,他发现的技术路线遵循科学方法论原则,以质疑为起点,经过猜想提出假设,依靠数学物理建模,最终用数值试验方...     

谈谈统计预报的必要性

首先从认识论的角度,即确定论和概率论,讨论了天气预报具有不确定性,在数值预报日益取代主观经验预报的今天,统计预报还有其不可取代的重要性。在方法论上,统计预报属于客观归纳法;在理论上,统计预报具有不受数值预报可预报性限制的特点。统计预报有相关法和相似法之分;小概率的极端天气,可以用相似法进行预报。集合预报是确定论方法和概率论方法的有机结合,是当前天气预报的发展方向。最后指出,统计预报本身同样存在局限性,也必须经受实际预报应用效果的检验。     

主编语

大气运动具有复杂的非线性混沌性质,对初值的微小误差表现出高度敏感性,导致天气过程的演变呈现出难以准确预测的随机动力特征,从而难以消除单一数值模式的预报结果与真实大气运动状态之间存在的不确定性偏差。为了解决这一问题,气象学家提出了"集合预报"的概念,并随之发展了具体技术方法,取得了显著效果。     

环境变化对流域水文水资源的影响评估及不确定性研究进展

综述了区分气候变化和人类活动对水文要素影响的研究方法,提出当前研究中应将流域水文过程变化的环境因素来源分为气候自然变异、人为气候变化和人类活动三个方面,并给出了方法体系;基于环境变化下流域水文过程的复杂不确定性,详细剖析了环境变化下流域水文过程的不确定性来源,总结了常用的不确定性评估方法,并介绍了针对定性不确定性（奈特不确定性）评估的信息差距理论。指出为提高减缓和适应环境变化能力,未来应加强以气候自然变异、人为气候变化和人类活动三源分解的环境变化影响研究;不确定性分析应成为环境模拟的固有组成部分,在影响评价中应注重不确定性的评估,并应加强不确定性信息在流域管理决策中的应用研究以及流域风险管理研究。     

混沌系统单变量可预报性研究

对于n维的混沌系统, 不同变量的可预报性是不同的。为了研究混沌系统中单个变量的可预报性, 本文在以前提出的混沌系统整体的非线性局部Lyapunov指数基础上(李建平等, 2006), 引入了单变量的非线性局部Lyapunov指数及其相关统计量, 进一步完善了非线性误差增长理论。通过应用到几个混沌个例, 结果表明单变量的非线性局部Lyapunov指数及其相关统计量可以用来定量地研究多维混沌系统中不同变量的可预报性, 系统不同变量的可预报性之间不是相互独立的, 而是单个变量的可预报期限与系统整体的可预报期限之比都近似保持一个常数, 但各个变量的常数值有所不同。     

界壳论及其应用

正系统论将世界视为系统与系统的集合,研究世界的任何部分,界壳论则把研究目标放在系统怎样通过其周界影响环境,以及环境通过周界反作用于系统。因此,可以说界壳论是系统科学的一个分支。鸡蛋的外壳、地球的大气层、人的衣服、生物膜、国界和互联网中的防火墙等都是界壳现象,它普遍存在于物质世界和精神世界。界壳论是研究系统周界的一般性理论,即研究存在于系统周界中的某些共同规律及其在信息、工程、物理、生物、心理和哲学等领域中的应用。     

IPCC第四次评估报告中对不确定性的处理方法

 在第四次评估报告中,IPCC建立了一种处理不确定性的方法,该方法是对第三次评估报告所用方法的进一步发展。通过综合分析,简要讨论了这一方法的主要特征,并介绍了IPCC为主要作者制定的"关于不确定性的指导意见"。需要注意的是,术语"可能性（likelihood）"和"信度（confidence）"都可作为表述不确定性的方法。尽管上述术语之间的差异在第三次评估报告中就已存在,并在指导意见完成之前成为争论的主题之一,但是,现在已经认识到这两种方法在描述不确定性时是互补的。     

区域旱涝气候混沌动力学可预报性研究

根据西安地区旱涝气候等级近1624a（380-2003年）资料序列，运用非线性系统混沌动力学理论，通过计算气候吸引子的关联维数、Kolmogorov熵和Lyapunov指数，对西安区域旱涝气候的混沌特性和可预报性进行研究。结果表明：西安区域旱涝气候系统是一个具有有限个自由度的复杂的混沌系统。其吸引子关联维数约为3．1，确定性的平均可预报时间尺度约为14．8a，最大可预报时间尺度约为20．7a。     

The Boussinesq-BO equation for algebraic gravity solitary waves in baroclinic atmosphere and the research of squall lines formation mechanism

The gravity solitary waves are a kind of waves which are caused by the disturbance of static equilibrium. The nonlinearity concentration of the gravity solitary waves makes the energy assemble together and forms disastrous weather phenomena, such as squall lines. By the calculation condition and theoretical method limit, previous studies tried hard to reduce the variable numbers and discussed the gravity solitary waves in barotropic atmosphere, but the baroclinic problem of atmosphere is inevitable topic. In this paper, from the basic kinetic equations in baroclinic non-static equilibrium atmosphere, by using multi-scale analysis and perturbation method, a new model is derived to describe the algebraic gravity solitary waves, we call it Boussinesq-BO equation. Comparing with the former models, the Boussinesq-BO model can describe the propagation process of waves in two directions and is more suitable for the real atmosphere condition. With the help of the trial function method, an exact solution of Boussinesq-BO equation is obtained and the fission property of algebraic gravity solitary waves is discussed. Finally, we can find that the fission of algebraic gravity solitary waves is also a possible formation mechanism of squall lines.     

攀西地区月降水时序非线性特性分析

在介绍相空间重构理论的基础上, 以攀西地区4个站点47 a的月降水时间序列为例, 研究了该地月降水时间序列的非线性特性。首先, 运用定量的G-P关联维方法, 探讨了非线性分析的主要定量指标, 具体而言有, 饱和关联维数D2和柯尔莫哥诺夫熵, 计算表明攀西月降水时间序列具有一定的非线性混沌特性。其次, 结合定性的功率谱分析方法, 进一步验证了攀西月降水时序具有非线性特性。除此之外还应用Cao方法检验, 从而排除了月降水时序为随机序列的可能性。本文为进一步研究月降水时序数据的复杂性及其演化规律奠定了基础。      

THE EFFECTS OF EXTERNAL FORCING,DISSIPATION AND NONLINEARITY ON THE SOLUTIONS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS

Based on the primitive equations of the atmosphere,we study the effects of external forcing.dissipation and nonlinearity on the solutions of stationary motion and non-stationary motion.Theresults show that the asymptotic behavior of solutions of the forced dissipative nonlinear system isessentially different from that of the adiabatic non-dissipative system,the adiabatic dissipativesystem,the diabatic non-dissipative system and the diabatic dissipative linear system,and that thejoint action of external forcing,dissipation and nonlinearity is the source of multiple equilibria.From this we can conclude that the important actions of diabatic heating and dissipation must beconsidered in the models of the long-term weather and the climate.     

THE EFFECTS OF EXTERNAL FORCING,DISSIPATION AND NONLINEARITY ON THE SOLUTIONS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS*

Based on the primitive equations of the atmosphere,we study the effects of external forcing.dissipation and nonlinearity on the solutions of stationary motion and non-stationary motion.The results show that the asymptotic behavior of solutions of the forced dissipative nonlinear system is essentially different from that of the adiabatic non-dissipative system,the adiabatic dissipative system,the diabatic non-dissipative system and the diabatic dissipative linear system,and that the joint action of external forcing,dissipation and nonlinearity is the source of multiple equilibria.From this we can conclude that the important actions of diabatic heating and dissipation must be considered in the models of the long-term weather and the climate.     

我国短期气候预测的物理基础及其预测思路

短期气候预测依据大气科学原理,运用气候动力学、统计学等手段,在研究气候异常成因的基础上对未来气候趋势进行预测。虽然目前我国短期气候预测的水平还不高,但短期气候预测是国家经济发展和防灾减灾的迫切需求,提高预测准确率是气象科研和业务人员的重要任务。该文从海洋、积雪等外强迫信号及大气环流大尺度变动等大气内部特性等角度概述了短期气候预测的物理基础,简要回顾了近60年来我国短期气候预测的发展历程,并介绍了作者近十几年来研制短期气候预测客观统计学及统计与动力学相结合预测模型的主要思路。     

A THEORETICAL STUDY ON THE MULTIPLE EQUILIBRIA OF TROPICAL ATMOSPHERE AND THEIR RELATION TO THE ONSET OF THE SUMMER MONSOON

Multiple equilibria and their stability in tropical atmosphere are investigated through β-plane barotropic models with consideration of heating and dissipation. We have derived the solutions of the model equations corresponding to the multiple equilibria or the steady flows first, and then establish the criteria for the stability of steady flow by use of the Liapunov direct Method. When these criteria are applied to the solutions of equilibria obtained, stable flows, which are closely related to the different patterns of quasi-stationary circulation in the tropical region, are found. The configurations of these stable flows and the shift between two of them as season changes provide quite reasonable explanations to many fundamental problems of tropical circulation features such as the catastrophe mechanism of the onset and the break-active cycle of the Asian summer monsoon. It follows that the onset or the abrupt transition of the Asian summer monsoon could be attributed to the multiple equilibrium property of the tropical circulation resulted from the advective nonlinearity, which provide another explanation among others.     

大气中动能的双向转化和单向转化

根据绝热无耗散大气总动能和总位涡拟能守恒的特性，本文讨论了二维平面上动能谱分布随时间变化的规律。结果表明，大气谱动能变化必然涉及至少三种不同的空间尺度；或遵从双向转化原则，或遵从单向转化原则。在讨论能量的双向转化和单向转化条件的基础上，本文还分别研究斜压大气和正压大气中能量转化的一般状况。     

秒级探空数据随机误差评估

利用2007年6月和2008年6—7月国内GPS探空仪同步比对试验数据及2010年中国阳江国际探空系统比对试验数据,基于现有的探空仪随机误差的间接计算方法,深入分析不同的探空原始数据平滑处理程度对随机误差评估的影响。分析表明:现有的探空仪随机误差评估方法不能完全适用于秒级探空数据,特别是对风、平流层温度和对流层相对湿度这3个要素的随机误差的评估。在同步比对施放中,如果对探空原始数据的平滑处理程度一致,可以利用现有的随机误差评估方法,不会产生明显偏差;反之,如果平滑处理程度差异较大,则间接计算得出的随机误差会明显偏大。在比对施放方案中,为了更好地获取某种型号探空仪的随机误差,建议将多个同型号探空仪同球施放进行比对观测,避免作为参考仪器的其他型号探空仪自身的误差参与计算,影响待测探空仪随机误差的评估。同型号探空仪同球施放的探空仪越多,获取的有效统计数据越多,随机误差的分析越准确。     

水平气压梯度力差分格式误差的定量分析

通过分析发现地形坐标系中气压梯度力差分格式的计算误差应分为二类，其中，第二类误差在水平坐标面倾斜时出现。这种误差可理解为将水平坐标面上的气压(或位势高度)插回到等高面(或等压面)上的插值误差。 构造气压梯度力差分格式的目的正是为了减小这种第二类误差，而不是其他误差。 误差分析表明静力扣除法和Corby 格式的第二类误差都很小，比一般方法的误差小约一个量级。分析还表明第二类误差产生的主要原因是由于气压随高度非线性变化。依据这一分析思路，本文改进了#As(z)#a坐标系中的静力扣除法。 改进后的方法比改进前的误差小约一个量级。     

大尺度大气运动的浑沌形态

本文用一个确定的强迫耗散的八维非线性自治系统描述大尺度斜压大气的运动。在一定的热力强迫范围,流型演变显示出浑沌形态。随着热力强迫的渐变,发生了浑沌形态与周期形态之间的多次转换。在浑沌区内又清楚地显示出周期3和周期6的窗口。 流型演变的周期形态,相应于夏半年对流层上层副热带高压中心沿东西方向的周期的低频振荡。转为浑沌形态后,这种规则性的低频振荡即遭到破坏。这个副热带高压周期性东西振荡的建立与破坏的现象,与实际大气的观测事实十分相似。