检索结果-内蒙古大学图书馆

科学通报 2017年第21期62卷 2392-2398页

作者：周仕政郑琴沙建新解放军理工大学理学院解放军94906部队

集合初始扰动的好坏对集合预报效果有着至关重要的影响.为了产生能够捕捉到初始场不确定性的初始扰动,在不考虑模式误差的情况下,用Lorenz-96模式探讨了条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation,CNOP)在集合预... 详细信息

集合初始扰动的好坏对集合预报效果有着至关重要的影响.为了产生能够捕捉到初始场不确定性的初始扰动,在不考虑模式误差的情况下,用Lorenz-96模式探讨了条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation,CNOP)在集合预报中的应用,并与传统的增长繁殖模方法(breeding of growing mode,BGM)进行了比较.发现用CNOPs代替2L范数较大的繁殖向量(breeding vectors,BVs)的集合预报技巧明显高于BGM方法.在分析误差是快速增长型扰动的条件下,新方法对预报结果的改善幅度随预报时间的延长而增大,特别是在中期预报范围(6~14 d)内,改善效果更加明显.按照通常距平相关系数(ACC)不小于0.6则视为有效预报的标准,新方法和BGM方法得到的集合预报相对于参照预报而言,都能够将有效预报时间延长4 d左右.

关键词：集合预报条件非线性最优扰动繁殖向量预报技巧

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条件非线性最优扰动在长江中下游地区冬季暴雨中的应用研究

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热带气象学报 2013年第5期29卷 782-792页

作者：刘段灵孙照渤彭世球南京信息工程大学大气科学学院江苏南京210044 中国科学院南海海洋研究所/热带海洋环境国家重点试验室广东广州510301 广东省气象台广东广州510008

为了提高长江中下游地区高影响天气的数值预报,利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对一次长江中下游地区冬季降水个例(高影响天气事件)进行目标观测研究,并通过观测系统模拟试验(OSSE)检验了该方法确定敏感区的有效性和可行性。试验结... 详细信息

为了提高长江中下游地区高影响天气的数值预报,利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对一次长江中下游地区冬季降水个例(高影响天气事件)进行目标观测研究,并通过观测系统模拟试验(OSSE)检验了该方法确定敏感区的有效性和可行性。试验结果表明,CNOP方法可有效识别对应于高影响天气事件的敏感区。通过对敏感区进行初始场修正后,可明显改善验证区内24 h累积降水预报误差和总能量预报误差。进一步分析发现,通过改善敏感区内的初始场信息(如水汽通量场和低层冷空气活动等),使得数值模式不仅能更真实刻画该天气系统的初始结构,还能更好模拟出该天气系统随时间的演变特征,因而减少了验证区内对该天气系统的预报误差。这一结果表明可以把CNOP方法应用于长江中下游地区高影响天气事件的目标观测研究或实践中。

关键词：天气学高影响天气条件非线性最优扰动目标观测观测系统模拟试验

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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

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气象学报 2014年第5期72卷 1001-1011页

作者：穆穆王强段晚锁姜智娜中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室青岛266071 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北京100029 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：条件非线性最优扰动目标观测厄尔尼诺-南方涛动黑潮路径变异阻塞

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条件非线性最优扰动方法在台风“风神”和“凤凰”相互作用过程中的应用研究

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热带气象学报 2013年第2期29卷 235-244页

作者：王晓雷周菲凡朱克云成都信息工程学院大气科学学院四川成都610225 武汉市气象局湖北武汉430040 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029

利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对2002年发生在西太平洋上的台风"风神"和"凤凰"之间的相互作用进行研究。CNOP方法可揭示出"风神"对"凤凰"单向引导作用的过程,表现为若将"凤凰"... 详细信息

利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对2002年发生在西太平洋上的台风"风神"和"凤凰"之间的相互作用进行研究。CNOP方法可揭示出"风神"对"凤凰"单向引导作用的过程,表现为若将"凤凰"所在区域作为验证区域,用CNOP方法识别的敏感区主要位于"风神"所在区域,呈现出环绕"风神"的半环状结构;若将"风神"所在区域作为验证区域,则CNOP方法所识别的敏感区主要位于"风神"与副高交界的地方,远离"凤凰"所在的区域,可见,"风神"主要受副高的影响。敏感性试验表明,CNOP所识别的敏感区内误差的发展要大于台风中心周围区域内初始误差的发展,且在全场误差的发展中占有较大的比重,说明CNOP所识别的敏感区对验证区域的预报有较大的影响。

关键词：条件非线性最优扰动双台风相互作用敏感区预报

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条件非线性最优扰动方法在适应性观测研究中的初步应用

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大气科学 2007年第6期31卷 1102-1112页

作者：穆穆王洪利周菲凡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北京100029 中国科学院研究生院

针对适应性观测中敏感性区域的确定问题,考虑初始误差对预报结果的影响,比较了条件非线性最优扰动(CNOP)与第一线性奇异向量(FSV)在两个降水个例中的空间结构的差异,考察了它们总能量范数随时间发展演变的异同。结合敏感性试验的分析,... 详细信息

针对适应性观测中敏感性区域的确定问题,考虑初始误差对预报结果的影响,比较了条件非线性最优扰动(CNOP)与第一线性奇异向量(FSV)在两个降水个例中的空间结构的差异,考察了它们总能量范数随时间发展演变的异同。结合敏感性试验的分析,揭示了预报结果对CNOP类型的初始误差的敏感性要大于对FSV类型的初始误差的敏感性,因而减少初值中CNOP类型误差的振幅比减少FSV类型的收益要大。这一结果表明可以把CNOP方法应用于适应性观测来识别大气的敏感区。关于将CNOP方法有效地应用于适应性观测所面临的挑战及需要采取的对策等也进行了讨论。

关键词：适应性观测敏感性区域条件非线性最优扰动第一奇异向量

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条件非线性最优扰动的最大值原理

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华东师范大学学报（自然科学版） 2008年第2期 131-134页

作者：刘永明华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室华东师范大学数学系上海200241 中国科学院大气物理研究所北京100029

在非线性系统(发展方程及常微分方程)中初始数据的扰动对系统以后某固定时刻T的状态的影响是一个重要的研究课题.本文研究非线性系统在初始数据在一定的范围(称为初始扰动域)内作有限幅度的扰动时,在时刻T对状态扰动的幅度达到最大的问... 详细信息

在非线性系统(发展方程及常微分方程)中初始数据的扰动对系统以后某固定时刻T的状态的影响是一个重要的研究课题.本文研究非线性系统在初始数据在一定的范围(称为初始扰动域)内作有限幅度的扰动时,在时刻T对状态扰动的幅度达到最大的问题.通过考虑反向时间的问题及假设解对初始数据的连续依赖性,证明了若在时刻T状态扰动的幅度达到最大,则初始数据位于初始扰动域的边界上,这个结果的重要意义在于可以减少数值求解扰动幅度最大问题的计算量.

关键词：变分法条件非线性最优扰动最大值原理

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条件非线性最优扰动在集合预报中的应用

条件非线性最优扰动在集合预报中的应用

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作者：姜智娜中国科学院研究生院（大气物理研究所）

学位级别：博士

本文采用正压准地转模式和T21L3斜压准地转模式,探讨了条件非线性最优扰动方法(CNOP)在中期集合预报中的可能应用。进而在此基础上,针对天气环流转型的预报,研究了特殊的集合扰动产生方法。主要结论如下:1.在不考虑模式误差的情况下,采... 详细信息

本文采用正压准地转模式和T21L3斜压准地转模式,探讨了条件非线性最优扰动方法(CNOP)在中期集合预报中的可能应用。进而在此基础上,针对天气环流转型的预报,研究了特殊的集合扰动产生方法。主要结论如下: 1.在不考虑模式误差的情况下,采用正压准地转模式探讨了CNOP在集合预报中的可能应用。 a)奇异向量(SV)和条件非线性最优扰动被用来产生集合预报试验的初始扰动,对14天的预报结果作了比较,发现用条件非线性最优扰动代替第一奇异向量的集合(S2)预报技巧在中期预报范围(6～14天)明显高于奇异向量法(S1)。该结论是在分析误差为快速增长扰动的条件下得到的,即分析误差的非线性发展在预报后期快于奇异向量的非线性发展,不依赖于分析误差的大小。 b)采用相似指数和经验正交函数分析方法解释了以上数值试验的结果。 c)预报技巧和离散度的关系以及Talagrand diagrams分析显示,新方法产生的集合预报的可信度更高。 d)敏感性试验表明,局部CNOP相对全局CNOP而言,在集合预报中可能起着更为重要的作用。 2.采用T21L3斜压准地转模式,从扰动的初始模态及其发展两个方面比较了CNOP与SV的异同,揭示了非线性对可预报性的影响。 a) CNOP与SV类似,也具有范数依赖性。流函数平方范数意义下的CNOP空间尺度最小,能量范数意义下次之,位涡拟能范数意义下空间尺度最大,甚至呈纬向流结构。 b)流函数平方范数或能量范数意义下的SV和CNOP都呈现出局地性的特征。然而,随着初始约束或优化时间间隔的增大,相对SV而言,CNOP的局地性减弱。在某些情况下,波列结构甚至存在于北半球的整个纬圈方向。 c)个例研究表明,在能量范数意义下,当SV在某一优化时间还没有促进纬向流向阻塞流转型的时候,CNOP可能导致了阻塞的爆发。这表明,在大尺度环流转型的研究中非线性过程起着非常重要的作用。 3.在不考虑模式误差的情况下,采用T21L3准地转模式探讨了CNOP在集合预报中的可能应用。 a)用异常相关系数(ACC)评估了北半球500百帕位势高度场的预报技巧。结果表明,如果大气环流本身的可预报性差,例如在预报中期范围有天气环流转型的发生,此时,CNOP方法相对SV方法能够提高预报技巧。 b)在集合扰动的建立过程中,局部CNOP相对全局CNOP而言可能起着更为重要的作用。 4.利用阻塞指数的定义,采用非线性优化技术研究了非线性框架下激发阻塞爆发的最优扰动,为天气环流转型的预报提供了特殊的集合扰动。

关键词：集合预报非线性优化方法条件非线性最优扰动奇异向量

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条件非线性最优扰动（CNOP）方法在陆面参数敏感性试验及参数优化中的应用探索

条件非线性最优扰动（CNOP）方法在陆面参数敏感性试验及参数优化...

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作者：李红祺南京大学

学位级别：博士

陆面过程模式是研究陆地—大气相互作用及与之相关的天气和气候变化的重要工具之一。由于观测数据和科学认知水平的局限，现行的陆面过程模式并不能很好地适用于所有的下垫面类型，特别是对半干旱区的陆面特性和地表—大气间的能量和水... 详细信息

陆面过程模式是研究陆地—大气相互作用及与之相关的天气和气候变化的重要工具之一。由于观测数据和科学认知水平的局限，现行的陆面过程模式并不能很好地适用于所有的下垫面类型，特别是对半干旱区的陆面特性和地表—大气间的能量和水分交换过程的描述能力仍然十分的有限。制约陆面过程模式模拟能力最直接的因素除了模式物理过程参数化方案未臻完美之外，模式中众多参数的取值的不确定性也是另一个主要原因。这些不确定性主要源于观测条件的限制或参数取值缺乏针对性。\n 本文基于长期连续的半干旱区陆地—大气相互作用外场强化观测试验资料，尝试将我国科学家发展的条件非线性最优扰动(CNOP)方法运用到陆面过程模式参数敏感性试验和参数优化领域。CNOP基本原理是在参数的物理条件限制之下，通过优化算法调整模式变量，使得预报时刻的模式结果非线性偏差达到最大值。该方法目前已为开始扩展应用于了参数优化分析领域，但在陆面过程模式参数优化领域尚未有涉及。本文尝试将其扩展到陆面过程模式参数优化工作，并对其应用效果进行了初步的探索。此外，本文还对集合卡尔曼滤波(EnKF)方法在陆面参数优化中的使用进行了探讨，并与CNOP方法的优化结果进行了对比。论文主要的研究和结论有:\n 1)使用超级立方体取样—一阶扰动(LHS-Oat)算法，针对通用陆面模式(CoLM)的几个关键陆面参数，使用2003年、2008年不同时间段的吉林通榆退化草地和甘肃榆中黄土高原观测站的试验资料，分别作了参数敏感性分析。通过得到的敏感性排序结果，证实了LHS-Oat方法在陆面过程模式参数敏感性分析方面的可行性和性能。在此基础之上，将CNOP方法引入陆面参数敏感性结果的检验工作中，对LHS-Oat方法获得的敏感性排序做分组检验。结果表明较高敏感性的参数所能导致的非线性不稳定远远超过较低敏感性的参数造成的非线性不稳定，从而验证了LHS-Oat方法分析得到的陆面参数敏感性排序的正确性;\n 2)在得到陆面参数敏感性排序后，为了获得对应于不同下垫面类型的主要陆面参数最优值，本文对CNOP方法扩展到陆面过程模式的参数优化领域进行了探索。利用2003、2006和2008年3个时间段通榆退化草地和榆中黄土高原站的试验数据和通用陆面过程模式，分别设计了单参数和多参数优化试验。结果表明，使用优化后的参数，CoLM模式模拟的地表温度、水热通量等有了较大改善，并且多参数优化试验的结果明显优于单参数优化试验，特别是对土壤湿度的模拟而言。这证实了CNOP方法扩展到陆面过程模式参数优化领域的可行性，且在扩展CNOP方法时使用了差异进化算法(DE)，在保证优化过程收敛速度的同时，使得整个优化流程简便易于移植。这一探索性研究表明，CNOP方法扩展应用于陆面过程模式的参数敏感性试验和参数优化领域是可行的，并且由于CNOP方法具有数理意义明晰、结构简单、易于实现等等特点，使得它在陆面参数优化领域具有一定的优越性和较大的应用潜力;\n 3)本文还尝试将资料同化研究领域的一个相对成熟的方法—EnKF方法通过状态扩展技术引入陆面过程模式的参数优化工作中。在前人理想试验的基础上，用真实观测资料作为观测场，进行陆面参数优化试验，通过对CoLM的2个参数进行同化，EnKF方法在陆面过程模式参数优化方面获得了初步的成功，并获得了与CNOP方法结果相近的优化参数，数值上的差异应当来源于同化时所用的模式变量的不同。这进一步丰富了我们的研究手段。与CNOP方法相比，EnKF同样具有坚实的数理基础和更为广泛的应用历史，并且能在优化过程中得到参数与变量的背景协方差矩阵的变化，为直观的了解优化过程中背景误差的变化提供了便利，但其对误差正态分布的要求以及其优化的参数必须在出现在每个同化步的限制，使得其所能同化的陆面参数较CNOP方法少，应用前景稍差。\n 本文有关陆面参数敏感性试验的结果对于指导外场观测试验的设计和发展模式物理过程参数化方案具有积极的指导意义;而陆面参数优化使得陆面模式的整体模拟性能有了较显著的提高。基于本文的研究，可以构建一套从陆面参数敏感性判断到参数优化的完整方案，结合不同的外场观测试验，将能够获得一套典型下垫面类型的最优陆面参数集，有望改进陆—气耦合模式的模拟和预测性能。

关键词：陆面过程模式陆面参数 CNOP方法参数优化条件非线性最优扰动敏感性试验

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条件非线性最优扰动方法在台风目标观测中的应用研究

条件非线性最优扰动方法在台风目标观测中的应用研究

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作者：周菲凡中国科学院大气物理研究所

学位级别：博士

本文用条件非线性最优扰动(CNOP)方法，研究了台风目标观测中的敏感区识别问题。针对三个台风个例(0509号台风麦莎、0422号台风米雷、0414号台风云娜)，应用MM5模式及其伴随系统，分析了如何用CNOP方法确定敏感区，考察了扰动约束值、... 详细信息

本文用条件非线性最优扰动(CNOP)方法，研究了台风目标观测中的敏感区识别问题。针对三个台风个例(0509号台风麦莎、0422号台风米雷、0414号台风云娜)，应用MM5模式及其伴随系统，分析了如何用CNOP方法确定敏感区，考察了扰动约束值、度量范数、投影算子、参考态、模式分辨率、积分时间长度等条件对CNOP识别的敏感区的影响，且从预报误差的能量、台风的路径和强度的预报效果等方面检验了上述不同条件下CNOP识别的敏感区的有效性，探讨了该类敏感区的物理意义，而且与第一奇异向量(FSV)方法识别的敏感区进行了比较。\n 主要结论如下：\n ***识别的敏感区依赖于初始扰动的大小。初始扰动较小时，CNOP和FSV识别的敏感区较为相似；而初始扰动较大时，如当初始扰动大小和当前数值天气预报分析场误差相当时，CNOP和FSV识别的敏感区则可能有较大差别，而且CNOP识别的敏感区对提高验证区域和台风的预报技巧的提高更有效。\n ***识别的敏感区对度量范数、参考态、投影算子、模式分辨率以及积分时间长度有一定的依赖性，这与FSV方法类似。然而存在显著的差异。\n (1)与FSV相比，CNOP识别的敏感区对空间分辨率以及基态初始场(即参考态)的敏感性要小；当采用使模拟结果较好的高分辨率时，CNOP和FSV识别的敏感区差别很大，而此时CNOP识别的敏感区对提高台风预报技巧更有效，FSV识别的敏感区只有在低分辨率下才有效。\n (2)虽然CNOP和FSV识别的敏感区都依赖范数，但它们各自在动能、干能量、湿能量等能量范数下得到的敏感区，方位及结构特征大体一致。用能量范数度量扰动发展得到的结果具有一定的指导意义。不论用何种能量形式，CNOP识别的敏感区的有效性总是高于FSV识别的敏感区的有效性。\n (3)验证区域(即投影算子)小幅度变化时，CNOP识别的敏感区受到的影响小于FSV识别的敏感区受到的影响；验证区域变化较大时，CNOP识别的敏感区较FSV识别的敏感区的变化情况更合理。\n (4)CNOP和FSV识别的敏感区都不是简单地从时间上进行外推的上游区域；在某一时刻CNOP和FSV识别的敏感区增加观测可以较大程度地改善验证区域在关心时刻的预报技巧，也可以在一定程度上改善其他时刻的预报技巧。但是CNOP识别的敏感区对预报技巧的改善更大。\n CNOP和FSV的这些差别表明了非线性过程的影响，体现了CNOP识别台风目标观测敏感区的优越性。\n ***识别的主要敏感区往往位于两个或多个系统、以及冷暖平流的交界地带，处于背景场相对不稳定地区；有时，也会有部分敏感区处于台风眼周围的强对流活动区，该结论表明台风的发展变化还受其自身的对流不对称结构的影响；另外，CNOP识别的敏感区内具有明显的非线性过程和斜压不稳定结构，这为敏感区内扰动大幅度增长提供了额外的动力。可见，用CNOP方法识别的敏感区具有一定的动力意义和物理意义，借助CNOP方法可以考虑各种动力物理过程的综合非线性效应，从而使识别的敏感区更加有效。\n 总的说，在CNOP识别的敏感区内减小初始误差，比在FSV识别的敏感区内减小初始误差对验证区域预报技巧的提高更显著，对台风的路径和强度预报的改进也更有效；且CNOP识别的敏感区具有一定的物理意义，能够考虑非线性过程的影响；因此，CNOP方法是有利于台风目标观测中有效敏感区确定的有意义的方法。

关键词：条件非线性最优扰动第一奇异向量台风目标观测敏感区 CNOP识别

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条件非线性最优扰动方法在内蒙古土地沙漠与人类活动关系中的应用

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河南大学学报（自然科学版） 2010年第2期40卷 111-114页

作者：王波王强河南大学应用数学研究所河南开封475004 河南大学数学与信息科学学院河南开封475004 天津大学机械工程学院天津300072 天津大学数学系天津300072

根据内蒙古近50年的数据资料,利用最新的条件非线性最优扰动(CNOP)方法对曾晓东等人提出的非线性三变量草原生态模型进行研究,得到初步的研究成果,并量化分析得出了内蒙古沙漠化与人类活动的相互关系.

关键词：生态沙漠化人类活动条件非线性最优扰动

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