分层扰动位能理论及其应用——以南海夏季风的年际变化为例

在扰动位能(PPE)理论的基础上,针对不同高度上局地环流能量转换问题,本文提出了分层扰动位能(LPPE)的概念.研究表明850hPa的分层扰动位能一阶矩(LPPE1)在热带地区为正,高纬度地区为负,200 hPa高度LPPE1在北美高纬度地区出现正值分布,100 hPa及以上LPPE1热带地区为负,高纬度为正.LPPE1冬季半球的分布与年平均相似,北半球夏季大陆上出现正的极大值.在局地,LPPE1在数值上远远大于分层扰动位能二阶矩(LPPE2)及更高阶矩,因此,LPPE的分布与LPPE1的分布相似.南海季风区低层动能的季节变化与LPPE呈现反向变化关系.相关分析表明,南海夏季风(SCSSM)与春季的LPPE1偶极型分布之间存在着显著的年际(正)相关关系,可以作为SCSSM强度的一个预报因子.春季赤道印度洋、西太平洋海表温度(SST)的负(正)异常对应春季、夏季LPPE1的南负北正(南正北负)偶极型分布,夏季(JJAS) LPPE1的偶极型分布与南海季风区动能的一致增大(减小)是两者耦合模态的主导模态,夏季南海季风区的西风增强(减弱), SCSSM增强(减弱),这是能量异常影响SCSSM的一个可能的机制.     

台风目标观测研究进展回顾

台风目标观测对于弥补常规观测资料不足和提升台风数值预报技巧等具有重要意义.总结了2类理论方法的发展过程和优缺点:基于伴随的非线性方法能够较好地刻画非线性项的影响,而基于集合的方法在计算速度上更具有优势.同时回顾了一些能够代表当前气象观测水平的新装备和新技术在中国近海登陆台风外场观测试验中的应用,并从个例分析和统计分析两个角度总结了开展台风目标观测的有效性.通过总结发现,切线性近似、模式误差、度量范数和集合成员个数等都是影响台风目标观测的主要因素,它们可能会导致识别得到的台风敏感区之间存在一定差异,因此不能被忽略.未来应该更加关注台风强度目标观测的研究,在此基础上进一步推动非线性方法和数值模式的发展,并探索能够适合我国业务实际情况的台风目标观测实施方案.     

Lorenz系统误差方程的吸引子特性研究

将Lorenz方程及其导出的误差方程作为联立方程(即全误差方程)来研究误差的性质,结果表明联立方程可以变换为一个特殊的算子方程,误差轨线将收敛于一个有限的区域;此外联立方程对应的流的散度为负值,因此其在相空间中的体积不断收缩,最终趋向一个低纬曲面;联立方程的这两个性质使得Lorenz系统中初始误差不会无限放大,而是趋于一个吸引子.误差在吸引子上的概率分布是确定的,因此平均的绝对误差趋于常数,这个结果可以用来解释小初始误差经过一段时间的发展之后,趋向饱和的现象.利用稳定性分析方法研究了误差吸引中心的位置和个数,并使用数值试验进行了验证,结果显示误差吸引子的结构与解的吸引子位置、数量和结构均有不同.最后本研究将针对Lorenz方程的误差联立方程方法拓展到一般的常微分动力系统,展示了对一般误差方程的特征矩阵进行分析,研究其特征行列式性质的方法,得到了一般误差系统中稳定点和平衡态性质与原动力系统的稳定点和平衡态性质的关系,这些结果对于认识误差系统长期的动力学行为和性质是有意义的.     

南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化及可能原因

基于NCEP/NCAR再分析资料,利用信噪比(SNR)方法研究了南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化,结果表明:南海夏季风强度潜在可预报性在20世纪80年代出现了由潜在可预报性偏低位相向偏高位相的年代际转折。进一步的研究发现,南海夏季风强度潜在可预报性和东印度洋—西太平洋(EIOWP)的海表温度(SST)存在明显的正相关。当EIOWP区域SST年际变率较大时,对南海夏季风影响较强,使得南海夏季风的外部信号增强,从而提高了潜在可预报性;当EIOWP区域SST年际变率较小时,对南海夏季风影响较弱,南海夏季风的外部信号进而减弱,潜在可预报性降低。     

耦合Lorenz模型的吸引子特性及其可预报性分析

通过改变耦合Lorenz模型中控制快、慢子系统之间耦合强度的参数,本文探究了耦合强度对该系统的混沌吸引子特性及可预报性的影响。结果表明：随着耦合增强,快系统中显示出与慢系统类似的低频变化特征,其吸引子也随之变大;而慢系统高频分量变大,导致其变率增强,吸引子轨道变得更加密集。在此基础上,利用非线性局部Lyapunov指数方法定量分析了耦合强度对耦合Lorenz系统可预报性的影响。具体来说,在耦合之后,耦合系统的对数误差增长曲线包含前后两段不同的误差增长率,分别代表快速和慢速误差增长过程。此外,各子系统的可预报性对耦合强度变化响应并不一致,随着对快系统的耦合强度增加,快/慢两个不同尺度系统的可预报上限均减少。然而,增加对慢系统的耦合强度却只能提高快系统的可预报上限,对慢系统的可预报性改变不大。