不同方案求解非线性化学动力学方程组的比较

在一个简化的气相化学模式的基础上,比较了Hybrid、QSSA、Sklarew三种计算方案求解非线性化学动力学方程组的差异,并引入误差分配和线性组合两种质量守恒技术,分析它们对模拟结果的影响。研究结果表明：不同方案对有机烃类浓度的计算几乎没有影响,但对其它气态物浓度有一定的影响。用QSSA和Slarew方案预测的结果更为相近,而采用Hybrid方案得到的气态物浓度的平衡时间略为提前。从计算效率来看,QSSA方案优于其它两种方案,两种质量守恒技术均能改善模拟结果。     

非线性大气化学动力学方程组数值解法的比较

大气化学模式中描述化学反应动力学的是一组高度耦合、刚性、非线性的常微分方程组,高效精确的计算方法在空气质量模拟预测、气候化学相互作用研究中尤为重要。本文介绍了求解此类非线性常微分方程组(ODEs)的七种常见的数值计算方法,包括QSSA、MQSSA、HYBRID、MHYBRID、LSODE、GongCho以及TWOSTEP方法,并基于同一反应机理进行24 h的数值模拟,通过对模拟结果的讨论分析,比较了各种方法的优劣。研究结果表明,就计算效率而言,QSSA方法最为省时。就计算精度而言,LSODE方法最优。若综合考虑计算精度和效率,HYBRID、MHY-BRID是比较适中的数值解法。     

一种非线性大气化学动力学方程组的新算法

提出了一种求解非线性大气化学动力学方程组的新算法,即预测／校正拟稳定近似法（ＰＣＱＳＳＡ）该方案集中了传统的ＱＳＳＡ方案和Ｈｙｂｒｉｄ方案的优点,具有较高的计算效率和精度,对于复杂的大气化学模式和区域污染模式较适用。     

强迫耗散非线性临界层动力学的初步研究

研究了强迫耗散非线性临界层动力学，得到了强迫耗散非线性临界层的解析解。解析解表明，在含有强迫耗散的条件下，非线性临界仍有“Ｋｅｌｖｉｎ猫眼”，当时间很大时，“猫眼”趋于定常，强迫耗散因子对非线性临界层激发的“Ｋｅｌｖｉｎ猫眼”的涡度场有重要的调制作用。     

非线性Rossby波动特征的进一步探讨

在一定的假定下,利用自然坐标系对正压非线性Rossby波的特征作了进一步探讨,指出控制Rossby波动过程的本质方程是摆型方程及类似于Sine—Gordon方程的关系式,得到了波动过程中复杂的质点振动轨迹和非线性振荡的周期;给出了定常Rossby波的几种复杂流型,证明了非线性Rossby波的位相传播和能量传播是沿着流线进行的。这些结果对深入认识大气内部动力过程和解释某些观测现象具有一定意义。     

变系数紧耦合波动方程组的非线性边界镇定

利用黎曼几何方法和乘子技巧,讨论了带变系数和非线性边界扩散反馈项的紧耦合波动方程组的镇定,得到了解能量的衰减估计.     

非线性重力波的一种特殊形态

本文采用自然坐标系，在一定的条件下对正压和有层结的动力学模式中的一种辐散运动进行了描述，得到了一组非线性重力波的解析持解．文中对这种波动的特点进行了分析．其结果对深入认识环流变化的动力学机制具有意义。     

非线性大气动力学的进展

总结了自新中国成立以来中国科学院大气物理研究所在非线性大气动力学领域的进展,其中主要介绍了在非线性适应过程、非线性稳定与不稳定、全局分析理论、可预报性、低阶谱方法与多平衡态动力学、非线性波动、波流相互作用、阻塞高压非线性动力学、中小尺度非线性动力学等几个方面的研究成果及最新进展.     

几种约束优化算法求解含“开关”过程的条件非线性最优扰动的比较

求解条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)属约束最优化问题,一般采用基于伴随模式提供梯度信息的约束优化算法(简称ADJ)进行求解。当优化问题涉及不连续的"开关"过程时,传统优化算法的寻优能力会受到较大的影响。近年来遗传算法(Genetic Algorithm,GA)因其在非光滑优化问题中的鲁棒性备受关注,但GA的性能不仅与优化问题有关,还取决于遗传算子的配置。本文将一种新的约束GA(GA1)用于求解CNOP,并对GA1,ADJ及具有不同遗传算子配置的约束GA(GA2)求解含"开关"过程的CNOP时的性能进行了比较。数值试验结果显示,GA1和GA2的全局寻优能力明显优于ADJ,后者易于陷入局部最优;对于不同的初猜值(不同的初始种群),GA1求解的CNOP能够保持一个较为一致的空间结构,ADJ求解的CNOP呈现了明显的两种结构,一种代表的是全局CNOP,一种是局部CNOP。通过验证不同遗传策略对优化结果的影响发现,对不同的优化问题,采用合适的遗传策略以及合适的参数设置是获取更好优化结果的一种有效途径。     

降雨年际气候变化的非线性动力统计模拟预测

文中应用非线性动力统计方法来模拟降水年际气候变化.经过对中国42个测点近百年降雨变化的模拟预测检验,取得了较好的效果,并得出了一些有意义的结论.     

大气动力学方程组的定性理论及其应用

基于完整的湿大气动力学方程组,利用无穷维动力系统的新理论和新方法,系统讨论了强迫耗散的非线性大气系统的定性理论及其应用。将完整的强迫耗散非线性湿大气动力学方程组化为Hilbert空间中一个等价的算子方程,研究了算子的性质及其物理意义,在此基础上得到湿大气系统全局吸引子的存在性定理,揭示出系统向外源的非线性适应特征,并把结果推广到有地形动力作用和非定常外源强迫的情形。同时探讨了大气方程组惯性流形的存在,大气多平衡态产生的根源以及强迫、耗散和非线性对系统解的渐近行为的影响。在理论结果的基础上,提出强迫耗散的非线性动力系统中存在三类时间边界层、方程组简化准则、分解算法的算子约束原则以及支撑吸引子基底的少数自由度的构造方法,探讨了理论在非线性发展方程差分格式的设计和计算稳定性分析、多平衡态的数值分析、数值模式延伸预报的改进、短期气候预测以及一类中尺度系统分析与预测中的应用,指出描述长期过程动力学模式的必备条件,给出初值与模式相协调的合理解释。最后,对今后的研究方向作了展望。     

基于副高-季风非线性动力模型的动力特性讨论与机理分析

基于NCEP/NCAR再分析资料,依据动力系统反演思想,采用遗传算法从1998年实际观测资料中,客观合理地反演重构了副高特征指数与东亚夏季风因子的非线性动力模型,并结合1998年天气实况,讨论了模型中外参数的变化对副高系统平衡态失稳和分岔的影响。从而为副高等难以准确构建动力模型的复杂天气系统的物理机理分析和动力行为讨论,提供了有益的研究思想和方法手段。研究发现,副高指数平衡态的分布和变化与实际副高的中短期异常活动相对应,副高系统由高值稳定平衡态向低值稳定平衡态跳跃的突变行为对应副高的异常南落过程,副高系统由双稳定平衡态向单稳定平衡态并入的分岔行为对应副高"双脊线"并存到消失的过程。     

低纬大气Kelvin波和Rossby波的非线性相互作用

利用多重尺度摄动法,对低纬大气Kelvin波和Rossby波的波包演变进行了分析,得到两波的非线性相互作用方程为耦合的非线性复系数Landau方程组。数值计算表明两波相遇将使波振幅变化,波宽变窄;两波非线性相互作用可能是低纬强烈天气突然爆发的原因之一。     

中国年降水气候振动的非线性动力学特征

从观测资料出发,利用反演方法,获得了描述我国17个站年降水气候振动的二阶非线性动力学方程组中的系数,并在无外源强迫的情况下对该非线性动力学方程组作了定性的分析,对17个站的年降水气候振动进行气候模拟试验。结果表明:我国大部分地区的年降水气候振动存在弱的非线性振动特征,17个站的年降水气候振动都可以看作是一个正阻尼的动力系统,在运动变化过程中,自身能量的变化dEdt<0,17个站年降水气候振动的固有频率的变化范围为0.6≤ω0≤1.417,其固有周期的变化范围为10.4≥T≥4.4年。从空间分布特征上可以看到,其固有周期的长短分布有明显的东西向特征。在17个站中,兰州、成都、重庆、南宁、福州、上海、温州地区的年降水气候振动是一个类似于具有渐软弹簧特性的非线性动力系统,而昆明、长春、哈尔滨、北京、广州、西安、厦门、长沙、南京、杭州地区的年降水气候振动是一个类似于具有渐硬弹簧特性的非线性动力系统,从其空间分布特征上看也有东西向特征。全国17个站年降水气候振动的动力系统都存在一个稳定的焦点,在无外源强迫作用时,各站的年降水气候振动将逐渐趋向于各自的稳定的焦点,但都不存在极限环。在仅考虑降水自身振动的情况下,利用我们反演得到的非线性动力学方程对年降水气候振动做模拟,位于内陆地区的模拟情况可以通过显著性水平检验,而靠近海洋的地区模拟效果没有内陆好。这一结果说明在降水气候振动中,靠近海洋地区的外源强迫影响作用比位于内陆地区大。     

影响SO2和NOx气相化学转化率的敏感因子分析

在一个已建立的简化的气相化学模式基础上，本文估算了ＳＯ２和ＮＯＸ的气相化学转化率，进一步研究了影响转化率的敏感因子。结果表明：在典型的大气污染状况和晴天无云的条件下，白天ＳＯ２和ＮＯＸ的平均转化率分别为１．５％／ｈ和１３．８／ｈ，大气温度，太阳高度，水汽混合比以及云厚，云量，云中液态水含量等云物理参数都会对转化率产生不同程度的影响。     

短期气候预测及其有关非线性动力学的进展

短期气候预测及其有关非线性动力学的进展丑纪范（中科院院士，北京气象学院教授）气候问题最近非常热门，最重要的变化我理解是观念的转变。气候概念本身，八十年代以来有很大的变化。原来的气候是静态的概念，一个地方的气候是指一个地方多少年平均的状况，地球上可以分...     

强天气过程中近地面层风速的非线性动力学特征

强天气过程中大气边界层不同尺度运动之间存在强烈的相互作用,这种相互作用使得近地层风速的变化表现出很强的非线性,风速的非线性特征可以用近代非线性物理中奇异性、大偏差和多重分形等特征量来刻划.作者研究了两次沙尘暴和一次冷锋时期超声风温仪观测资料的这些特征.4组资料奇异指数的概率分布基本一致,只有最强的奇异性存在差异.但最大风速的奇异性并不是最强的.风速的大偏差特征表明,不同时间长度相同的风速时间序列中出现某种极值的概率几乎不变,而大偏差谱能反映不同天气系统影响的差异,天气系统越强,越能维持涡旋运动规律不变.