评述专著《动力系统自忆性原理——预报和计算应用》

由己知系统的过去历史推测该系统未来演变过程是预测问题原始实际提法。经典数理方程中的初、边值问题仅是预测问题的一种抽象和简化。要提高实际系统预测准确率 ,必须推广经典理论。动力系统自忆性原理就是这种推广中的一种。曹鸿兴教授的专著《动力系统自忆性原理———预报和计算应用》(地质出版社出版 ,2 0 0 2 )系统地论述了动力系统自忆性原理及其应用。那么什么是自忆性原理呢 ?通常 ,动力系统是用微分方程、积分方程、差分方程等来描述的 ,而对用含时间导数的方程描述的动力系统 ,在引进记忆函数并运用内积、分部积分和中值定理后可…     

天气预报的自忆模式

详细介绍了自忆模式的建立过程，并附有实际应用个例，给出了一种新的预报方法和思路。     

自忆性建模及其气候应用

对制约系统运动的含时间微商项的方程,引进记忆函数后可导得一个差分—积分方程,它能包容含初值的多个往值。构建和求解系统的差分—积分方程的原理,称为自忆性原理,相应导得的数学模型称为自忆性模型。自忆性模型现已应用到气象、海洋、水文、市场、农业、交通和能源等多个领域的建模、计算和预报,尤其在预报方面取得了显著成果,提高了预报准确率。文中还论述了自忆性—界门模型,讨论了自忆性模型应用效果好的原因,给出了气候预测的实例。     

自忆谱模式制作中期天气预报的试验

基于大气自忆性观点, 引进记忆函数, 可构造一个差分-积分方程; 称之为自忆性方程; 给出了此方程的球谐表达式及其离散计算公式.以T42L9谱模式为动力核, 建立了一个全球自忆T42谱模式 (SMT42).用实际资料进行了逐日至15天积分试验计算, 表明对于500 hPa中期数值天气预报, SMT42比T42的均方根误差小得多, 同时SMT42对距平相关系数也有所提高, 这为中期数值天气预报提供了一种有潜力的新途径.     

自忆数值模式及其应用

取一个现成的数值模式作为动力核，根据自忆性数学原理，将该数值模式变换为一个自忆数值模式。该模式能包容若干个初始场的信息，这就为提高天气预报和气候预测准确率提供了一种可能和机会，藉此要衍生聘种新的预报途径。文中叙述了自忆数值模式的建模原理，给出了制作全球月温度场预报的实例。     

中尺度自忆模式在强降水预报中的应用

根据大气自忆性原理提出的回溯时间积分格式应用于中尺度格点模式MM5,构建了中尺度自忆模式SMM5并做了短期强降水预报的实验.结果表明,SMM5模式与MM5模式相比,由于使用了多个时刻的场资料,预报精度有了明显的提高, SMM5预报的最大雨区的中心位置与降水量也比MM5更接近实际观测场.     

区域气候自忆模式中记忆系数的某些特征及汛期降水预报分析

根据制作中国汛期降水业务预报的需要, 调整了区域气候自忆预测模式的边界条件及计算格式并进行了数值试验; 讨论了模式中记忆系数的线性趋势及周期变化等特征; 对1988~1997年中国汛期降水分布预报试验和1998年实际预报结果进行了分析, 结果表明, 自忆模式对汛期降水年际预报具有一定的能力.     

一类计算性系统误差消除与斜压原始方程天气气候模式改进

斜压原始方程半隐式全能量守恒格式的构造问题长期没有解决。本研究在成功地构造实现其全能量完全守恒的半隐式方案基础上，进行了此守恒方案与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的σ－坐标原始方程全球谱模式半隐式方案间的实际资料对比实验。实验表明，850hPa平均预报高度场RMS误差在积分一周以后得到明显改进，到第30天其预报误差降低达到了50％，进一步的对比实验表明，对流层中部和下部的月预报平均高度场RMS误差也显降低，而且一些明显的系统性误差也得到大幅度改进。更加详细的分析显示，这些收益的很大一部分是从超长波成分的改进中得到的。这说明，通过构造守恒性时间差分方案消除了响应的计算性系统误差源汇，进而能够使模式气候漂移得到显改进，而这种误差源汇存在于传统的，现仍被普遍采用的斜压原始方程天气气候模式中。     

自忆谱模式及其初步应用

取一个数值预报模式作为动力核,基于相应的自忆性方程,可设计一个自忆预报模式。现以美国AFGL谱模式作为动力核,推导了一个能使用多时刻资料的自忆谱模式。运用全球网格点资料,通过复最小二乘估计,求得模式中的记忆系数。用该模式试作全球高空温度场的30天平均预报。预报检验表明,自忆谱模式的预报技巧是相当高的。     

区域气候预报自忆模式的研究与计算

从一个区域气候预报自忆模式出发,运用１９５１￣１９９７年江苏省月温度,降水和区域５００ｈＰａ高度场格点资料,确定了自忆函数的具体形式,研究了它的周期性,试作了江苏省１９８７￣１９９７年汛期降水和温度预报。     

利用自记忆模式试报我国汛期降水

基于大气运动是一种不可逆过程的观点，引进了记忆过去时次资料的记忆函数。进一步阐明了大气运动的自记忆概念，导出了大气运动的自记忆性方程。基于自记忆原理，从大气热力学方程和水分平衡方程出发，建立了一个用于短期降水预报的数学模式。对6－8月我国汛期降水预测作了12年的回报试验，结果表明该模式的预测评分比目前的月预报有很大提高。     

博乐垦区冰雹天气预报方程初探

根据2001—2002年博乐垦区出现冰雹天气所对应的天气形势，采用统计学方法为博乐垦区的冰雹天气建立多因子交叉相关综合预报方程。     

基于多时间尺度的回归集成预测模型

引入能够将非线性、非平稳过程的数据进行线性化和平稳化处理的EMD方法,对广东降水的时间序列进行时间尺度分离,从复杂的非平稳信号中提取相对简单以不同时间尺度振荡的准周期信号,选取能较好描述降水周期特征的IMF分量作为建模备选因子,然后以均生回归、均生相关、韵律拟合误差和拟合误差4种方法构建预测模型,结果得到采用多尺度因子构建的4种单预测模型近10年Ps评分和降水距平符号同号率平均分在68~73分和50%~58%之间,而采用4种模型构建的回归集成模型两种评分方法的平均分分别高达79.8和68.8%,较单一预测模型评分分别提高了近10分和10%以上。将具有降水指示信号的前冬赤道东太平洋海温因子耦合到回归集成预测模型,其Ps评分结果与纯降水集成模型相当,但同号率评分略高3.1%。从而,提取要素序列的多种时间尺度特征,并采用多模型的集成预报,均能有效提高短期气候预测水平。     

2006年12月至2007年2月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

针对2006年12月至2007年1月T213模式96小时中期数值预报产品进行了天气学检验,并与ECMWF、日本模式96小时预报性能做了对比分析。结果表明,T213、ECMWF、日本模式对亚洲中高纬度地区大尺度环流形势演变和重大调整过程均有较好的预报能力,因此对重大灾害性天气的预报有较好的指示意义。三种模式相比,ECMWF模式对西风指数、850hPa温度、南支槽东移的预报较为准确。     

湖北省春季暴雨落区数值预报模型和指标

数值预报产品已广泛应用于基层台站，但对于其丰富的物理量预报产品的解释应用还不够。文章利用T106物理量预报产品，结合常规气象资料，对1998～2001年湖北省春季暴雨天气过程进行了诊断分析，重点分析了有利于产生暴雨的多个物理要素，发现了产生暴雨的一些物理量及其值的结构特征，包括不同的物理要素场形态的走向、预报值的大小、上下层的配置，加深了对暴雨发生机制的认识，归纳出湖北省春季暴雨落区、落点的预报模型和指标，在促使暴雨预报准确率有所提高的同时，使暴雨预报更加精细化。     

一种提高数值模式时间差分计算精度的新格式———回溯时间积分格式

为了使用以制作数值预报的微分方程中包含更多的信息量、以期提高预报准确度, 该文提出了一种基于记忆动力学的时间积分格式。以天气预报为实例, 计算表明, 平流方程的回溯时间积分格式所得的预报准确度大大高于传统的蛙跃差分格式。此方法在海洋、水文、环境、航空等应用平流方程计算的多种科学中亦是有效的。     

我国今冬和明春气候异常与沙尘气候形势的模式预测初步报告

首次利用气候模式作了跨年度的针对冬季和春季气候异常形势的预测试验.预测结果显示,今冬的气候特点为,我国北方降水正常,南方略偏多,气温在我国全境基本为正常,因此,不会出现暖冬现象,而欧亚大陆北部则为明显的暖冬.预测结果还表明,明春我国西北、华北、东北降水正常,其他地区略多,全国气温均较正常,因此,明春的沙尘暴形势如常,不会出现超出常年的春季沙尘暴形势.但由于近些年的气候变化趋势使然,明春的沙尘暴仍可能在局部时空段内相当严重.     

基于通用图形处理器的GRAPES长波辐射并行方案

随着通用图形处理器 (GPGPU) 计算技术的快速发展,通过大规模增加处理系统的并发度来提升性能成为计算机高性能计算的最新趋势。目前,通用图形处理器已经被应用到科学计算的诸多领域。长波辐射作为GRAPES模式中极为重要的物理过程,其巨大的计算量对整个GRAPES模式的运行效率有重要影响。该文依托NVIDIA公司计算统一设备架构 (CUDA) 技术平台,以GRAPES全球模式中长波辐射传输方案为例,对其进行了大规模并发设计和优化,在保持系统结果一致的前提下,对比单颗高端CPU,Tesla C1060 GPGPU具有11倍的加速效果,明显提升了GRAPES全球模式的执行速度和预报时效。研究表明:使用通用图形处理器技术提升数值预报模式的执行速度非常有潜力。     

短期天气预报与短期气候预测发展道路的对比思索

本文简短地比较了100a来短期天气预报和短期气候预测的发展道路。指出短期天气预报在经历了天气图阶段、长波阶段和数值预报阶段三大步之后已经发展到了相当成熟的地步。而短期气候预测100a来在“气候是天气的综合”错误思想的指导下,虽然也经历了与短期天气预报相应的几个阶段：大型天气学阶段、超长波阶段和短期气候预测的数值模式阶段,但每个阶段都以失败(或即将失败)而告终。使得短期气候预测水平始终在原地踏步。30a前提出了“气候系统”的概念,这是气候学的一次真正的进步。但“气候系统”至今仍是一个抽象概念,不像“天气系统”指的是气旋(低压)、反气旋(高压)、锋面等具体的物质系统。一旦“气候系统”被人们公认为一些具体的物质系统之后。短期气候预测即可成为“气候系统变化的预测”,此时短期气候预测通向成功的第一步——气候预测的“挪威学派”就诞生了。与天气图相应的,描述气候系统变化的一种四维图象也会应运而生。作者认为此图象很可能是“地气图”,而具体的气候系统很可能就是地热涡、地冷涡和形变锋等。