目标观测的方法、现状与发展展望

对所关注的自然界现象进行观测的策略方法,在地球科学中（主要与天气与气候预报、预测有关）被称为目标观测．本文首先回顾它的发展历史,然后介绍目前国际上目标观测所采用的主要方法;在对它们的优点与局限性进行评述的基础上,探讨了目标观测的理论基础．在介绍了国内外大气与海洋科学研究与应用中目标观测的现状后,着重讨论了其方法与效果的评价和检验问题．最后,给出了作者关于该领域进一步发展的展望,以及如何将目标观测方法拓展到处理数值模式误差方面的若干思考．     

条件非线性最优扰动方法在黑潮目标观测研究中的应用

对近年来利用条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)方法开展的黑潮目标观测研究进行了总结,主要包括日本南部黑潮路径变异的目标观测研究、黑潮延伸体模态转变的目标观测研究和源区黑潮流量变化的目标观测研究。通过计算这些事件的CNOP型扰动,发现这些事件的CNOP型扰动具有局地特征,可以作为实施目标观测的敏感区。理想回报试验结果表明,如果在由CNOP方法识别的敏感区内实施目标观测,则会大幅度提高上述事件的预报技巧。     

Nonlinear feature of the abrupt transitions between multiple equilibria states of an ecosystem model

Based on a five-variable theoretical ecosystem model, the stability of equilibrium state and the nonlinear feature of the transition between a grassland state and a desert state are investigated. The approach of the conditional nonlinear optimal perturbations (CNOPs), which are the nonlinear generalization of the linear singular vectors (LSVs), is adopted. The numerical results indicate that the linearly stable grassland and desert states are nonlinearly unstable to large enough initial perturbations on the condition that the moisture index $\mu$ satisfies 0.3126<μ<0.3504. The perturbations represent some kind of anthropogenic influence and natural factors. The results obtained by CNOPs, LSVs and Lyapunov vectors (LVs) are compared to analyze the nonlinear feature of the transition between the grassland state and the desert state. Besides this, it is shown that the five-variable model is superior to the three-variable model in providing more visible signals when the transitions occur.     

REM模式伴随系统的建立及其四维变分资料同化初步试验

Regional-Eta-Coordinate-Model（REM）中尺度模式对中国区域性降水显示出公认的较高预报能力,建立其四维变分资料同化系统是完善该模式,进一步提高其预报效果的重要工作。本研究编写了REM模式的切线性模式和伴随模式,介绍了建立REM模式伴随系统的过程,并利用实际天气个例资料,分别对REM模式的切线性模式、伴随模式及定义的目标函数梯度进行了正确性检验,检验结果表明对REM模式的切线性模式及伴随模式编写是成功的。利用REM模式的伴随系统,对1998年06月08日00时到09日00时和2000年08月01日00时到02日00时两个实际天气个例进行了四维变分资料同化试验。从数值试验的结果分析可以看到,进行四维变分资料同化后,两个天气个例在预报结束时刻其预报结果对风场和湿度场的预报都有明显改善,对温度场和高度场的预报也有所改善。对于累积降水的预报,两个个例利用四维变分资料同化后得到的初始场进行的预报结果则有较大不同,在个例1中,变分同化后对降水中心的位置和降水强度的预报都有明显改善,预报结果更接近于观测场;个例2中,变分同化后对降水中心位置和强度的预报则没有改善,产生这种现象的原因可能是由于定义的目标函数中没有加进背景场项,也可能是由于采用的观测资料时次比较少,还需要进一步进行研究和试验。     

用非线性最优化方法研究El Niño可预报性的进展与前瞻

综述用非线性优化方法研究厄尔尼诺(El Ni(n)o)-南方涛动(ENSO)事件可预报性的进展.针对ENSO可预报性研究中的热点问题--"前期征兆"、"春季可预报性障碍",以及如何量化研究ENSO可预报性和ENSO的不对称性问题,作者在近年来的工作中先后用理论模式和中等复杂程度ENSO模式研究了ENSO可预报性的动力学,揭示了ENSO的若干重要非线性特征.主要结果如下:(1)条件非线性最优扰动(CNOP)(局部CNOP)比线性奇异向量更易发展成ENSO事件,扮演了ENSO的最优前期征兆.这些ENSO事件关于气候平均态是不对称的.理论分析表明,非线性温度平流过程是造成这种不对称性的重要原因.1980～2002年的海洋再分析资料验证了上述理论结果.(2)ENSO事件CNOP型初始误差的发展有明显的季节依赖性,该误差导致了ENSO事件最显著的春季可预报性障碍(SPB)现象.ENSO事件SPB的发生不仅依赖于气候平均态,而且依赖于ENSO事件本身及其初始误差模态,是三者综合作用的结果.(3)建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示了ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了其可预报性.(4)通过CNOP方法,揭示了非线性温度平流在年代际尺度ENSO不对称性研究中的重要作用,解释了ENSO不对称性的年代际变化,基于所用ENSO模式给出了ENSO不对称性年代际变化的机制.最后,展望了非线性优化方法在ENSO可预报性中应用的前景,并期望该方法能拓展到ENSO第二类可预报性问题的研究中.     

气候系统可预报性理论研究

介绍了作者近年来关于气候系统可预报性理论研究的一些工作,包括:非线性最快增长扰动理论以及在气候预测的可预报性研究中的应用;从一个新的角度研究了2类可预报性问题,并提出可预报性的3类子问题;根据计算不确定性原理,讨论了模式可预报性与机器精度的关系;探讨了可预报性与时空尺度的关系,建立了可预报性的相对观.     

赤道高频纬向风强迫对ENSO事件强度的影响

ENSO强度的影响因子是一个具有争议性的问题.作者探讨了一种理想的赤道高频纬向风强迫对ENSO强度的影响.将该问题转化为一类关于模式参数扰动的非线性最优化问题;基于所用的理论ENSO模式,研究了赤道高频纬向风强迫在调制ENSO强度中的角色.结果表明,对于E1 Ni(n)o和La Ni(n)a事件,存在两类外强迫,一类促进E1 Ni(n)o事件的发展却抑制La Ni(n)a事件的发展,另一类则抑制E1 Ni(n)o而促进La Ni(n)a事件的发展.这两类外强迫的主要区别在于初始相位的不同.相位决定了外强迫对ENSO事件是促进的还是抑制的,而外强迫的振幅和周期则决定了外强迫影响ENSO强度的大小.这些外强迫主要是通过海洋波动对斜温层深度的调节来影响ENSO事件的强度的.     

气象预报的方法与不确定性

根据历史上有关气象的文字记载,结合大气科学发展的历史和现状,以深入浅出的方式回顾了气象预报制作方法的变更与发展.概述了当前业务预报的水平和相关研究的主要进展.针对数值预报,讨论了导致气象预报结果不确定性的主要原因.并通过介绍集合预报,对公众应当如何理解和使用预报产品提出了看法.     

条件非线性最优扰动法在大气与海洋目标观测研究中的应用

对近年来用条件非线性最优扰动法研究大气与海洋目标观测问题的部分工作进行了总结,主要涉及厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件、黑潮路径变异事件以及阻塞事件。通过研究这些事件发生的最优前期征兆（OPR）和最快增长初始误差（OGE）,发现这些事件的最优前期征兆和最快增长初始误差分别具有空间的高度相似性及其伴随的局地性特征。理想回报试验表明,如果在ENSO事件和黑潮路径变异事件的最快增长初始误差和最优前期征兆所确定的扰动大值区减小初始场误差,上述事件的预报技巧会大幅度提高;最优前期征兆和最快增长初始误差的空间相似性使得在同一敏感区域增加额外观测,不仅有助于捕捉上述异常事件的前期信号,还可以有效减小初始误差,从而提高对该事件的预报技巧。阻塞事件爆发的最优前期征兆和最快增长初始误差的空间相似性和局地性特征在其目标观测研究中的应用,应该是深入研究的课题。     

青年科学基金使我受益匪浅

国家自然科学基金的建立,是我国科技体制改革中的一项重大战略措施,是改革开放政策的严物。青年科学基金是国家自然科学基金的重要组成部分。它为有志于扎根在祖国大地,从事自然科学基础研究和部分应用研究的青年科技工作者,提供了必要的物质条件,为培养、造就新一代青年科技人才,作出了突出的贡献。笔者受益于青年基金不浅,对此感受尤深。