33模Lorenz系统的混沌特征及其可预报性分析

简述了33模Lorenz系统的导出及求解过程,并从功率谱、关联维数和Lyapunov指数等三方面验证其33个谱模分量及流场和扰动温度场得到的时空序列具有混沌特性,并对其进行可预报性分析。结果表明,对于混沌系统而言,对其时空序列取平均并不能延长可预报时效。     

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。     

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。     

随机误差对混沌系统可预报性的影响

根据非线性局部Lyapunov指数的方法, 以Logistic映射和Lorenz系统的试验数据序列为例, 研究了在初始误差存在的情况下, 随机误差对混沌系统可预报性的影响。结果表明: 初始误差和随机误差对可预报期限影响所起的作用大小主要取决于两者的相对大小。当初始误差远大于随机误差时, 系统的可预报期限主要由初始误差决定, 可以不考虑随机误差对预报模式可预报性的影响; 反之, 当随机误差远大于初始误差时, 系统的可预报期限主要由随机误差决定; 当初始误差和随机误差量级相当时, 两者都对系统的可预报期限起重要作用。在后两种情况下, 在考虑初始误差对可预报性影响的同时还必须考虑随机误差的作用。此外, 我们在已知系统精确的控制方程和误差演化方程的条件下, 研究了随机误差对可预报性的影响, 理论所得结果与试验数据所得结果相似。这表明在随机误差较小的情况下, 对系统可预报期限的估计相对准确, 但在随机误差较大的情况下, 可预报期限的估计误差也较大。本文利用三种不同的滤波方法对序列进行了试验, 结果表明, Lanczos高通滤波得到的高频序列与原始加入的噪声序列无论是在强度上还是在演变趋势上都表现得相当一致, 其能有效地去除高频噪音继而提高对系统的可预报期限的估计, 这对实际气象观测资料如何有效地去除噪音具有一定的启发意义。     

基于最新全球集合预报系统的可预报性评估

为了提供有价值且可靠的概率(或者不确定性)预报,最新的全球集合预报系统已在美国国家环境预报中心日常业务运行,以满足社会需求。通过对各个关键要素的概率预报统计检验,可为广大用户提供这些概率预报的信心指数。但是预报(或集合预报)能力不仅取决于我们使用的预测要素,而且与时间和空间分辨率,极端事件或者高影响天气,以及预报时效有关。以大尺度天气系统预报为例,通常选择北半球500 hPa位势高度距平相关指数或概率指数表征模式的预报能力。如参照北半球500 hPa位势高度的距平相关指数(60%AC)或概率预报技巧指数(25%CRPSS),美国全球集合预报系统能够提供大约10 d的技巧预报。从全球集合预报系统输出的各预报要素,满足不同时空尺度需求的角度进行讨论,其可预报性(或预报极限)能够为模式研发人员、一线预报员和用户提供参考。尤其是对大气可预报性的深入研究,对于从科学与技术角度全面提升数值预报系统水平非常重要。当能够确定可预报性(或是预报误差)的真实来源时,科学家(包括模式研发人员)就能够有针对性地修改与完善。将传统的可预报性研究与改进的能够更客观地表述预报不确定性的集合预报相结合,所得可预报性将提供另一种有价值的参考。可预报性研究总体表明,全球集合预报系统对行星波、大尺度和天气尺度的系统(或者过程)可能分别具备约15、12、10 d的预报能力。对于热带天气过程的预报,如果进一步改善模式偏差和物理参数化过程,其MJO(Madden-Julian Oscillation)预报技巧可以延长至32.5 d。     

延伸期预报中的可预报性浅析

延伸期（10-30天）预报是无缝隙集约化预报预测业务体系的重要一环,一直以来在防灾减灾科学决策中起着重要作用。然而实际预报中,其准确率较中短期天气预报和气候预测均明显偏低,原因在于随着预报时效延长,预报结果存在明显的不确定性。因此,业务预报中需要充分考虑预报对象的可预报性。本文通过总结延伸期时效可预报性的来源、主流数值模式预报性能的现状,介绍了一线业务中的预报思路及常用的可预报性参考产品,揭示了可预报性理论在延伸期预报中的应用。同时还展望了延伸期预报未来的发展方向。     

新疆昭苏彩虹环流特征及其可预报性分析

采用2017—2019年NCEP/NCAR逐日2.5°×2.5°再分析数据和伊犁州昭苏气象站彩虹观测记录,对昭苏出现彩虹的环流特征进行了分型,并通过对数值模式预报产品的检验分析了昭苏彩虹的可预报性。结果表明：昭苏4—9月都可观测到彩虹,绝大多数出现在17—22时;500 hPa的环流可归纳为西南气流型、偏西气流型、脊区型和西北气流型4种环流型,700 hPa存在风的辐合或切变,叠加地形的抬升作用,使对流不稳定强烈发展,对流系统生成,利于对流性降水的出现;ECMWF模式对环流形势的预报时效可达7 d;提出了经过实践检验的昭苏彩虹预报思路,概率约为65%。     

季风的模拟和可预报性

季风的模拟和可预报性Ｊ．ＳｈｕｋｌａＭ．Ｆｅｎｎｅｓｓｙ（海洋－陆地－大气研究中心，马里兰州，美国）１前言本文给出了亚洲夏季风的模拟和可预报性的三个结果：亚）在亚洲夏季风环流的建立和印度及邻近区域的降水方面，ＳＳＴ年变程与太阳强迫的年变程同样重要。２...     

涡旋系统运动可预报性的一种简单动力学分析

运用简单的动力学方程，考察了旋转运动和辐合运动的初值问题，由此探讨了天气系统运动的可预报时限。对于天气尺度系统，确定性可预报时限约２－５天；对于１０＾７ｍ量级天气系统，可预报时限约１０多天；对于中小尺度天气系统，可预报时限约１天。其结果同Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ等、Ｆｒａｅｄｒｉｃｈ等的结论基本一致。讨论还发现，在不同外部参数条件下，涡旋运动可预报性是差异的。     

大气的可预报性与大气模式的设计

本文首先提出了设计数值天气预报模式的基本原则——模式大气的可预报性和实际大气的可预报性相一致。然后依据此原则讨论了目前在设计各种数值预报模式时存在的问题。     

LOCALIZED FEATURES OF CHAOTIC SYSTEM AND ATMOSPHERIC PREDICTABILITY

The localized features on chaotic attractor in phase space and predictability are investigated in thepresent study.It will be suggested that the localized features in phase space have to be considered indetermining the predictability.The notions of the local instability including the finite-time and local-time instabilities which determine the growth rate of error are introduced,and the calculation methodsare discussed in detail.The results from the calculation of the 3-component Lorenz model show thatsuch instability,correspondingly the growth rate of error,varies dramatically as the trajectoriesevolve on the chaotic attractor.The region in which the growth rate of error is small is localizedconsiderably,and is separable from the region in which the growth rate is large.The localpredictability is of important interest.It is also suggested that such localized features may be the maincause for a great deal of case-to-case variability of the predictive skill in the operational forecasts.     

青藏高原东南部MCC的地域特点分析

青藏高原东南部是一个对流天气频繁发生的地区。在该地区生成发展的MCC不仅给当地造成大范围的雷电和强降水天气,还对长江中下游地区的天气产生明显的影响。文中通过对2001~2002年6~9月发生在该地区的16个MCC个例的分析,得出其具有明显的地域特点:(1)MCC最易发生在100°E附近的横断山脉地区和105°E附近的成都平原地区,且后者多于前者;(2)它们都具有生命史短,水平尺度较小和生消变化快的特点,但东部型生消时间晚,降水量大;西部型生消时间早,降水量小;(3)东部型和西部型MCC发生前的环流背景和成熟阶段的垂直结构也有明显不同。东部型MCC在形成前中低层有明显的水汽输送,在成熟阶段中低层有较强的正涡度环流,有较弱的垂直风切变,具有较为典型的MCC特征;而西部型MCC在形成前中低层水汽输送不明显,成熟阶段的正涡度环流不强,处于较强高空急流的正下方,具有与强风暴相类似的一些特征。     

华北旱涝变化的混沌性质分析

利用华北海河流域近700多年的旱涝等级序列,从功率谱特点、吸引子分数维和可预报时间等方面分析了历史旱涝变化的混沌性质。由专门设计的误差控制计算方案得到的旱涝变化分数维大于4.只有经过大平滑处理,旱涝序列的分数维才能显着地降至3.5.通过分析系统的局部Kolmogorov熵,发现偏早态和偏涝态的可预报时间基本相同,即约4a.但经平滑处理后偏涝态的可预报性改善较多,说明从较长时间尺度看,干旱期的旱涝预报比之湿润期要更困难些。     

大气随机动力学与可预报性

偶然性与必然性过程及其相互转化是世界事物变化复杂性的根源。根据布朗运动统计理论,提出了分子热运动是不稳定流体中湍流形成之源,由此形成不同宏观尺度的随机运动是大气运动固有的属性。观测事实表明,太阳辐射作为决定大气运动与变化的主要因子,它的变化具有随机性,是大气的随机强迫因子,它对气候变化具有决定性影响。地-气相互作用是一个时变的非线性相互反馈的耦合过程,形成了下边界对大气复杂的随机强迫作用,其界面交换耦合随机动力学模式尚待建立。由于大气过程固有的随机性以及随机的外强迫耦合作用,大气确定性预报的时效是有界的,它决定于预报对象的不确定性及其空间尺度与时间尺度,以及预报时效内的大气不确定性。由此,客观存在着大气过程的报不准关系。     

STRUCTURAL FEATURES OF THE MEIYU FRONT SYSTEM

A new subtropical front near the periphery of the West Pacific subtropical anticyclone isfound,which is never revealed in previous studies.The coupling of the subtropical front andMeiyu front forms a Meiyu front system (MFS) and is the most direct synoptic system for theMeiyu precipitation along the Mid-lower Reaches of Yangtze River (MRYR) in China.In thispaper.The detailed structural features and cloud features of the MFS in 1998 and 1999 areanalyzed,which manifests that the MFS is an objective phenomenon over the period of Meiyu alongMRYR and the Southwest Japan.Generally.the subtropical front is mainly located between 850hPa and 500 hPa.The moist southwest monsoon is transported in the passageway between theMeiyu front and the subtropical front.The vertical motion ascends in the passageway and descendson both sides of the MFS.forming the MFS's secondary circulation.A lower TBB band indicatedthat obvious convective activities are also located in the passageway of MFS.The horizontal windof MFS is vertically asymmetric.     

对T106分析／预报场可预报性的初步分析

本文围绕日常天气预报的需求和为区域数值天气预报模式定义天气背景场和初值场的需要，针对9210工程MICAPS系统中T106谱模式的客观分析场和预报场的可预报性进行了初步诊断，定量分析比较了T106、欧洲中心ECMWT、华盛顿KEBC和日本JAPAN数值模式对天气环流形势和预报的统计误差，并初步探讨了模式误差的自身预报问题。文中指出了T106模式的误差源主要来自于其客观分析场的固定误差，提出了以集成客观分析场作为客观分析，提供预报员预报参考或作为数值预报的背景初值场。     

短期气候数值预测可预报性问题

该文利用 IAP L2 AGCM1 - 1模式进行 1 7年 ( 1 980～ 1 996年 )、每年 9个单个积分的集合后报试验 ,采用方差分析的方法对试验结果进行可预报性研究 .结果表明 :在热带地区 ,海表温度 ( SST)异常引起的可预报性较高 ,50 0 h Pa高度场高值区沿热带呈带状分布 ,在热带外仅有部分相对高值区 ;在中高纬度地区 ,春季的可预报性高于夏季 ;一般来说各场的可预报性海洋高于陆地 .在北太平洋春季 ,50 0 h Pa高度场、海平面气压场和表面气温场有一可预报高值区 .在中国区域 ,降水场、海平面气压场和表面气温场的可预报性从我国南海向西北递减 .     

降水强迫对戈壁局地气候系统水、热输送的影响

用黑河实验中化音站（戈壁）加强期的湍流脉动场资料对降水强迫影响戈壁局地气候系统水、热输送的过程进行了系统分析。结果表明：降水强迫会使戈壁局地气候系统出现暂时的不平衡状态，要重新回到平衡状态需要通过物质和能量的重新调配来实现。该过程可划分为４个阶段，各个阶段间的感热、潜热和水汽通量均有较大差异。从近地层水、热输送特征看，受降水强迫后非平衡状态的张弛时段大约为４ｄ。在整个张弛期间，地表接收到的降水约有２／３通过地表蒸发后输送到大气，其余部分可能被渗入地下     

中国区域月平均温度和降水的模式可预报性分析

基于中国台站降水和温度观测资料、中国气象局国家气候中心月动力延伸预报的回算和预测结果讨论了中国区域月平均温度和降水模式可预报性的时空变化特征。文中以持续性预报来表征中国区域月平均温度和降水受外强迫影响下的可预报性,持续性预报技巧存在明显的年际和年代际变化特征;春末夏初和秋季预报评分相对偏低;在中国区域气候变暖和平均降水强度极值增加的背景下,温度的持续性预报评分有明显提高,降水的持续性预报略有下降。月动力延伸预报对月降水和温度的预报能力也存在明显的年际和年代际变化特征;与持续性预报相比,月动力延伸温度预报总体优于持续性预报,降水预报在初春略差,温度预报在8月相对最低。近20余年,月动力延伸预报相对于持续性预报的温度和降水的均方根误差技巧均大于零,其年际变化表现为模式对降水的预测略有提高。两种预报评估结果的空间分布分析表明月动力延伸预报达到显著性水平的正相关区域总体上比持续性预报的范围大,并基本涵盖了持续性预报的高相关区。原因是可预测信息部分来源于外强迫异常的影响,部分来源于对大气内部动力过程的模拟。     

大气中局地阻高和偶极子阻塞的动力学特征

在局地阻塞形成前期的原地一般有比较弱的高压脊存在，在这个高压脊上可以逐形成局地阻塞高压或偶极子阻塞。本文将局地阻塞形成前期的弱高压脊环流看成是具有反气旋式切变的带状基本西风，在此基础上用Ｒｏｓｓｂｙ孤立波理论研究了局地阻高和偶极子阻塞的动力学特征及其区别，得到了一些结果。