一维气候时间序列的拓展及其相空间中浑沌吸引子维数的确定

本文利用上海和广州近百年(1873—1980)月平均气温时间序列资料,将一维气候时间序列拓展到多维相空间上去。计算结果表明,月平均气温所表示的我国季风区短期气候演化,在相空间中存在吸引子,具有分维结构,其维数分别是d=3.4和d=2.3,为奇怪吸引子。由此推论,就我国季风区气候短期变化而言,为了能在多维相空间支撑起上述奇怪吸引子,最好选取四个变量或者建立最低为四阶的动力学模式来进行描述。      

用天气变量时间序列估计天气的可预报性

本文从非线性系统的吸引子概念出发,用单个气象时间序列重构维数较高的相空间并嵌入天气吸引子,根据相轨道上初始时刻紧邻的点随时间的演化来估计吸引子的维数和天气的可预报性。用500hPa亚洲环流指数和北京冬季气温的逐日资料计算表明,天气吸引子的维数分别为3.8和5.4;可预报时间尺度约6—14天,考虑相空间e指数膨胀因素后为4—9天。     

大气湍流的混沌吸引子特征

采用时间延迟技术,利用高性能的超声风温仪和红外湿度脉动仪所测得的大气湍流脉动资料,重构相空间中的湍流吸引子,估算了其相关维D2和最大Lyapunov指数λ1。结果表明,在不同地点、不同时间以及不同大气稳定度条件下,大气湍流的最大Lyapunov指数λ1均大于零,说明大气湍流的确具有混沌特征,且存在低维奇怪吸引子,其维数在3～7之间,视变量的不同(动力变量还是非动力变量)而不同,且受大气稳定度影响。首次使用了湍流动能来重建湍流吸引子。     

非线性动力学和湍流

湍流的发生和发展湍流的描述是一个基本问题。浑沌运动的最近研究表明,确定性的系统可以有不规则的浑沌结果,因此浑沌的研究对解释湍流现象是非常重要的。 浑沌和湍流的特点是敏感初条件,并且长时间以后是不可预测的。 非线性耗散系统中运动的形态是非常复杂的。可以有定常吸引子,周期吸引子,拟周期吸引子和奇怪吸引子。 当控制参数变化穿过分岔点,吸引子的拓扑性质就要发生变化。 一般,湍流经过极少数几次分岔即可出现。     

东亚经向型气压异常偶极模与冬季北太平洋关键区域海温的关系及其数值模拟试验

进一步从资料分析和大气环流模式的敏感性试验, 对西北太平洋海温异常与亚太中高纬度地区冬季海平面气压异常经向偶极模的关系及影响进行了研究。资料分析表明, 对应冬季亚太地区海平面气压的经向(ME)型偶极模, 西北太平洋中高纬度海温异常的影响存在两个重要关键区。尤其是(40°N～55°N, 150°E～160°W)海区的海温异常与冬季东亚经向型气压偶极模指数I_ME有明显正相关, (20°N～35°N, 125°E～170°W)海区的海温异常与指数I_ME有明显负相关。而上述两个关键海区的SSTA对经向型振荡模的影响, 主要是通过热通量异常的作用。敏感性模拟试验清楚表明, 西北太平洋关键区的海温异常对亚洲—太平洋地区冬季海平面气压场的经向偶极模有一定影响。区域1(42°N～62°N, 145°E～165°W)的负异常相对于其自身的正异常来说, 对亚太地区海平面气压场的负经向偶极模贡献更大, 而区域2 [(22°N～42°N, 135°E～175°E)和(26°N～42°N, 175°E～170°W)]的正异常相对区域1的负异常来说对负经向偶极模的贡献更大一些。但是, 单独区域1的负异常海温和单独区域2的正异常海温影响下的海平面气压场响应的负经向偶极模都会有不同程度的位置偏移。当存在区域1的负异常海温和区域2的正异常海温相互匹配的情况下, 亚洲—太平洋地区冬季海平面气压场的负经向偶极模特征更为显著。     

南印度洋偶极子的变化特征及其与ENSO事件的联系

利用Hadley Center逐月海温资料以及NCEP/NCAR逐月风场、海平面气压场等资料探讨了南印度洋偶极子(Southern Indian Ocean Dipole,SIOD)的变化特征及其与ENSO事件的联系。结果表明:1)发生在南半球副热带印度洋地区的海温异常西南—东北反相的南印度洋偶极子现象,具有明显的季节锁相特征:10—12月发生发展,次年1—3月发展成熟达到盛期,4—6月减弱消亡;SIOD的形成主要受大尺度大气环流的影响,马斯克林高压以及澳大利亚低(高)压位置和强度的变化引起的副热带印度洋海表面风场的异常,影响了海温的变化,进而形成SIOD。2)南半球副热带印度洋地区的海温变化与赤道中东太平洋地区海温异常密切联系,前冬ENSO事件与SIOD有显著的负相关关系,大多数正SIOD发生在La Ni?a事件之后,大多数负SIOD发生在El Ni?o事件之后;也存在部分SIOD事件的发生既不伴随La Ni?a现象,也不伴随El Ni?o现象。3)ENSO事件产生的异常垂直运动和赤道异常纬向风对南半球副热带印度洋地区的海平面气压以及海表面风场的强度和位置的变化有重要作用,可以分别影响SIOD东西极子的演变,进而对SIOD产生影响。4)SIOD事件也可单独发生,一般负事件比正事件早一个月发生,同时由于没有ENSO事件的作用,海温异常反相的现象不能持续,单独发生的SIOD事件生命期较短。     

CMIP5模式对ENSO现象的模拟能力评估

针对参与耦合模式比较计划(CMIP5)的17个海-气耦合模式对20世纪气候的模拟结果,从热带太平洋海表温度和大气海平面气压变化的综合分析角度较详细评估了模式对厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)现象的模拟能力。结果表明,这些模式基本上能模拟出ENSO现象的一些主要特征,包括热带太平洋海温的空间分布及其时空演变特征、与海平面气压变化的关联、ENSO周期变化及锁相特征等,但不同模式的模拟结果仍然差异较大。(1)从模拟的热带太平洋年平均海温的偏差来看,多模式集合平均值与观测的均方根误差小于1.0℃,但单个模式的误差相对要大一些。误差较小的为1.2—1.3℃,多数模式在1.6℃以下,但也有个别模式的误差超过2.0℃。(2)从经验正交函数分解结果来看,热带太平洋实测月平均海表温度距平和海平面气压距平的年际尺度变化第1模态主要表现为ENSO变化特征,第2模态反映的是海温的长期变化趋势。只有少数几个CMIP5模式能够再现这种特征,多数模式所模拟的海温距平/海平面气压距平时空变化的第1、第2特征向量分布顺序与观测分析正好相反,ENSO变成了第2模态,趋势成了最主要的模态。尽管如此,所有模式都能模拟出南方涛动变化与热带太平洋海温距平时空变化的密切关联,无论是作为第1还是第2特征模态,所有模式模拟的南方涛动与热带太平洋海温距平时空变化都有密切相关。(3)谱分析结果表明,ENSO现象具有2—7年的周期,其中,4年的周期最明显。大多数模式模拟的ENSO周期在此范围内,但有些模式的主要周期偏短,为2年左右。个别模式的ENSO主要周期为11年,已超出2—7年的范围。(4)多数模式模拟的厄尔尼诺及拉尼娜的峰值出现在冬季(11—2月),与观测基本吻合。另有少数模式模拟的峰值出现在9—10月,比观测略提前。只有个别模式模拟的峰值出现在夏季,与观测相差太大。     

一维气候时间序列所包含的浑沌吸引子的Kalmogorov熵的确定

本文采用上海16年(1970—1985年)逐日平均气压资料,用相空间延拓的方法,计算了它的关联维D和Kalmogorov熵的近似值二阶Renyi嫡K₂。得到D=7.7～7.9,为分数值,K₂约为0.1,是一正数值。证明我国季风区短期天气吸引子是一种浑沌运动。由K₂数值直接估计可预报时间T=(1K₂)约为十天,与早期动力统计学方法所得的可预报时间尺度相一致。 本文计算中,考察了相空间拓展时延滞τ的效应。计算结果表明:关联维D和K₂对τ均是收敛的。对本文所用上海逐日平均气压序列,用延滞τ=5延拓的相空间,各坐标分量是相互独立的,系统动力学特征量是稳定可靠的。      

桂林地区寒露风期间的温度中期MOS预报方程

资料来源,日本JMH台播发的 FEAS09—19预报图。读数网格点按经、纬向交叉划分,其距离密度纬距×经距=5 ×10。读数范围为:25°N—50°N、90°E—120°E。所用资料年份为1984—1986年(9月10日—10月20日)。 依FEAS09—19的预报图日读取因子值x(i,j),设所读气压值为P,则x(i,j)=P—1000[i=1……6;j=1……4]。然后将全部的x(i,j)处理成x(K,L)[K=1……i × j, L= 9月10日至10月20日]     

赤道太平洋降水与厄·尼诺

根据1899年—1982年赤道太平洋降水资料,研究了10月—12月降水量的时空变化。发现中太平洋最主要的特点是赤道地区与20°N以北及10°S以南变化相反。与赤道东太平洋海温变化比较证实,海温高时中太平洋多雨。分析赤道中太平洋多雨及少雨时海平面气压场表明,多雨时赤道低压偏东,南太平洋高压弱,而澳大利亚气压上升。最后指出,1982—1983年的厄·尼诺事件,就其伴随的环流与气候异常来讲,与以前的事件并无本质上的不同,但其强烈程度则是几十年来少见的。     

辐射边界条件在局地模式中的试验

本文给出了辐射边界条件在P—σ五层局地原始方程模式中的试验情况,並与其他种类的侧边界条件的试验结果进行了比较。试验表明,在计算区取 0°-180°E和25°S—55°N的情况下,一直积分到15天,边界条件的差异在计算区内部(印度洋地区,亚洲南部和东部)的反映还不很明显,但在东西侧边界以内 30-40个经度范围内影响是明显的。就海平面气压和降水率分布而言,采用辐射边界条件的处理方法在边界附近造成的误差比其他几种边界条件小,计算结果与实际观测值比较接近。     

中国东部夏季降水80年振荡与东亚夏季风的关系

利用中国东部1470－1999年夏季降水级别资料和1951－1999年夏季降水观测资料，以及1871－2000年北半球海平面气压资料研究了中国东部夏季降水与东亚夏季风的关系。研究表明华北及东北南部、长江中下游地区和华南夏季降水存在明显的80年振荡，华北夏季降水的80年振荡与华南同位相，与长江中下游反位相。华北夏季降水与海平面气压在120°－130°E，20°－25°N区域内呈负相关，在121°－130°E，20°－25°N区域内呈正相关，并达到 95％信度。因此，利用这两个区域平均海平面气压差定义了一个表征夏季西南风强度的东亚夏季风指数。当东亚夏季风强时，华北夏季降水偏多，同时长江中下游少雨；当东亚夏季风接近正常时，华北干旱，长江中下游多雨。最后，利用530年的华北夏季降水长序列资料研究了东亚夏季风的年代际变率。     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的赤道太平洋年际变率

本文分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 发展的气候系统模式FGOALS_gl对赤道太平洋年际变率的模拟能力。结果表明, FGOALS_gl可以较好地模拟出赤道太平洋SST异常年际变率的主要特征, 但模拟的ENSO事件振幅偏大, 且变率周期过于规则。耦合模式模拟的气候平均风应力在热带地区比ERA40再分析资料的风应力强度偏弱30%左右, 由此引起的海洋平均态的变化, 是造成模拟的ENSO振幅偏强的主要原因。FGOALS_gl模拟的ENSO峰值多出现在春季或夏季, 原因可归之于模式模拟的SST季节循环偏差。耦合模式可以合理再现ENSO演变过程, 但观测中SST异常的东传特征在模式中没有得到再现, 这与模拟的ENSO发展模态表现为单一的 “SST模态” 有关。模拟的ENSO位相转换机制与 “充电—放电” 概念模型相符合, 赤道太平洋热含量的变化是维持ENSO振荡的机制。在ENSO暖位相时期, 赤道中东太平洋与印度洋—西太平洋暖池区的海平面气压距平型表现为南方涛动型 (SO型), 200 hPa位势高度分布表现为太平洋—北美遥相关型 (PNA型)。     

ENSO循环机理的一些新看法与气候异常

近几年来我国学者在对ENSO循环机理方面提出了一些新看法。研究表明 ,ENSO实质上是主要由东亚季风异常引起的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温异常的年际循环。ENSO的真正源在西太平洋暖池 ,暖池正 (负 )SOTA沿赤道温跃层 (斜温层 )东传到东太平洋 ,便导致ElNi no/LaNi na的爆发 ;在暖池正 (负 )SOTA沿赤道温跃层东传的同时 ,有负 (正 )SOTA沿 10°N和 10°S纬度带向西传播 ,从而构成SOTA的循环 ;而热带太平洋SOTA循环的驱动者是赤道西太平洋的异常纬向风。ENSO事件的发生 ,往往引起全球大气环流和世界许多地区的气候异常 ,导致一些国家和地区多雨洪涝 ,另外一些国家和地区高温少雨和严重干旱。     

构建描述两种ENSO类型的新指数

利用英国气象局哈得来中心的1950—2011年月平均海表温度资料,采用联合回归-经验正交函数分解方法得到东部太平洋型ENSO(东部型ENSO)和中部太平洋型ENSO0中部型ENSO)的热带太平洋海温分布特点,进而定义了计算相对简单的东部型ENSO指数(I_(EP))和中部型ENSO指数(I_(CP))来分别描述两类ENSO。研究结果表明:首先,构建的I_(EP)和I_(CP)的相关性很小,接近正交,而且I_(EP)和I_(CP)能够反映两类ENSO不一致的偏度和周期,因此,这对指数能够清楚地区分两类ENSO。其次,I_(EP)和I_(CP)这两个指数可以描述厄尔尼诺和拉尼娜事件成熟期主要海表温度异常区的位置。再次,应用I_(EP)和I_(CP)从随机事件概率统计的角度给出两类厄尔尼诺和拉尼娜事件较为严格的定义,以便实时有效地监测两类ENSO。最后,利用新指数对两类ENSO的特征进行研究发现,强厄尔尼诺事件一般属于东部型,而强拉尼娜事件则为中部型,并且中部型拉尼娜事件发生的前期是东部型厄尔尼诺,此外,ENSO的发生演变机制在1976/1977年前后发生了改变。     

空气密度局地变化与高原天气系统分析

青藏高原地跨26°—40°N,70°—104°E的广大范围,面积二百多万平方公里,平均拔海4公里以上,是世界上最高大的高原。高原上山峦叠障、气象万千,天气异常复杂。由于拔海高,海平面气压难以使用,地面天气图不易分析等压线,天气系统难以辨认,高原分析一直是一个难题。 1982年汤懋苍等对高原分析的发展史作了较为全面的回顾,将以往各种分析方法的优缺点进行了比较简洁的讨论,並提出“保风投影法”分析;随后,钱永甫又提出了“保热成风法”分析等等。这些无疑对高原分析研究起了有力的推动作用。     

华东地区海平面气压、气温及降水的统计气候学分析

本文讨论了华东地区18个气象台站1954—1983年1月和7月份海平面气压、气温及降水场的综合经验正交函数(即特征向量)。分析结果表明:由3个气候变量场求得的特征向量能比较好地描述气候特征。     

北极海冰减少及其与相关气象场的联系

利用 195 3— 1998年北极海冰资料及相应的海平面气压场和我国东北 4 2°N以北 2 2个台站气温资料 ,应用统计分析方法 ,研究海冰和气象场的年际和年代际变化以及它们的联系。得到如下结论 :(1)高纬各纬度带和主要海域的海冰范围都呈现明显的衰减现象 ,6 0°N以北纬带趋势项的方差贡献超过总方差一半 ,远远大于周期项的方差贡献 ,此海域更明显显示近年海冰减少的现象。 (2 )巴伦支海和格陵兰海 ,海冰的年代际变化具有明显的 10年以上的周期变化特点 ,也存在明显的减少趋势 ;而拉布拉多海和白令海海冰主要是 10年以上的周期变化。 (3)自 90年代开始 ,海冰均发生陡然减少的现象 ,对全球气候变暖现象 ,海冰的变化是十分敏感的。 (4) 4 0°N以北的各纬度带的海平面气压的总体趋势是下降的 ,北冰洋涛动指数明显显示海平面气压场的减少趋势和 90年代前后的显著性差异。 (5 )与海平面气压的下降相对应 ,我国东北的温度是明显上升的。 (6 )北冰洋涛动能制约巴伦支海、格陵兰海和拉布拉多海域的海冰范围 ,也与我国东北温度有十分密切的联系。当AO指数偏大时 ,即冬季冰岛附近海平面气压偏低时 ,巴伦支海和格陵兰海海冰范围缩小 ,而拉布拉多海海冰范围扩大 ;我国东北冬半年的温度出现明显上升。     

热带纬向平均臭氧层动力学系统的重建

将ＴＯＭＳ测量的５°Ｎ纬向平均Ｏ３总量逐日序列作相空间拓展,使Ｏ３层的行为特征可用相轨迹刻划。首先计算Ｏ３层系统吸引子的分数维,而后把相点作为动力学系统的离散特解集合,反演出描述系统状态随时间演化的数学模型中的客观控制参数值,建立起反映热带Ｏ３层短期演化特征的非线性动力学系统。     

江苏省龙卷发生特征及其在年际尺度上与ENSO的关系研究

利用1976—2005年江苏省龙卷信息化资料和高分辨率再分析资料,对江苏省龙卷的发生特征以及ENSO事件对江苏省龙卷发生数的影响进行了分析。结果表明:(1)1976—2005年,江苏省龙卷发生数年际和年代际变化明显,空间分布不均匀:1990s龙卷发生数较多;盐城南部和南通沿海地区是龙卷较为多发的区域。(2)ENSO事件对江苏省龙卷的发生频率有重要影响:ENSO冷事件月份平均龙卷发生数多于暖事件月份;非ENSO事件月份平均龙卷发生数居中。(3)ENSO冷事件时西南低空急流发生频率明显增加,由于低空急流增强而引起的江苏省地区水汽供应、动力条件和不稳定能量的分布均有利于龙卷的发生,导致在ENSO冷事件情况下江苏省龙卷发生数偏多。