检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：王栋梁中国科学院研究生院

学位级别：博士

对于一个高分辨率的先进模式,台风数值预报的准确性很大程度上由模式初始场的准确性决定。而目标观测中的一个关键问题,就是要确定初始扰动会快速线性发展或最大非线性发展的敏感区,进而在空间和时间上有针对性地优化观测布局。同化目... 详细信息

对于一个高分辨率的先进模式,台风数值预报的准确性很大程度上由模式初始场的准确性决定。而目标观测中的一个关键问题,就是要确定初始扰动会快速线性发展或最大非线性发展的敏感区,进而在空间和时间上有针对性地优化观测布局。同化目标观测资料能在节省开销的同时获得预报效果最大程度的改善。\n 目标观测首先面临的就是预报对象的敏感区识别问题。目前常用的几种主要方法如伴随敏感法、SV和ETKF方法都是基于误差线性增长假设的,初始扰动必须足够小并且使用时积分时间不能太长;而和中纬度系统相比,发生在热带地区的台风非线性更强,因此采用条件非线性最优扰动(CNOP)来寻找台风敏感区具有其优越性。在一定的约束条件下,CNOP的非线性发展在验证时刻验证区域是所有初始扰动中最大的。\n CNOP在ENSO可预报性研究、海洋热盐环流的敏感性以及台风和暴雨的目标观测等方面已有广泛的应用,其中有关CNOP在台风目标观测中的应用研究主要有两类,一类利用伴随模式求解CNOP,主要侧重于将CNOP方法和其它方法进行比较;另一类不用伴随求解CNOP,主要侧重于对求解算法的简化,并以台风降水为例初步探讨了新算法计算的CNOP用于目标观测的可行性。在上述两类研究中,一般是以验证区内的扰动能量或者降水作为代价函数。本论文则主要研究CNOP应用于台风强度及路径预报时代价函数的选取以及CNOP目标观测在不同类型台风预报中的作用,并进一步对CNOP敏感区内不同变量的敏感性以及高低空变量的敏感性做了研究。此外通过多个台风个例,利用实际资料对观测系统模拟试验的结果进行验证。\n 代价函数不同或者验证区范围不同都有可能影响敏感区的计算,本论文首先对此做了初步研究,提出根据台风特点,用850hPa涡度作为验证变量,而验证区既要能包括台风涡旋结构,又不能过大,以免引入其他的不确定因素。\n 通过三个各具特点的台风模拟,利用观测系统模拟试验,从不同角度一定程度上证明了CNOP目标观测对台风预报的有效性。由于CNOP方法的最终目标是改善验证区内的预报,因此验证区内总体误差主要是来源于台风本身的强度误差,还是台风中心的位置误差,决定了CNOP敏感区是对台风强度预报改善更明显还是对台风路径预报改善更明显。而CNOP敏感区位置具有共同点,都在初始海平面气压中心及其临近区域,最大范围基本上都在5度左右。\n 对于低纬台风这种尺度的天气系统,主要是质量场向风场适应,因此敏感区内的风场观测比高度场观测更重要;而湿度场会对台风的强度和结构产生影响,因此在使用湿度观测时必须加倍小心,要防止由于没有正确的风场配合而通过错误的热力不对称结构对台风的路径产生负作用。湿度场和风场配合效果最好。\n 由于台风强度对于湿度场较为敏感,并且水汽具有绝大部分集中在低层的垂直分布特征,因此台风强度预报对于敏感区内600hPa以下的资料更为敏感;而台风的路径预报对于敏感区内600hPa以下的资料比较敏感,600hPa以上资料对于台风路径预报的影响则与台风强度有关,当台风强度较强时,其路径对于敏感区内600hPa以上资料也比较敏感。\n 综合三个台风的CNOP敏感区位置特点,发现台风涡旋区可作为台风的公共敏感区,台风涡旋的初始位置、强度以及涡旋内部结构对于台风强度预报和路径预报都很重要。由于涡旋区内资料的缺乏,台风BOGUS可以一定程度上对此进行弥补。41次台风模拟显示BOGUS资料同化(BDA)方案在四维变分同化过程中通过模式约束用BOGUS信息逐步调整模式变量可获得动力和物理上更为协调的涡旋,同时对环境场的破坏很小,对台风路径和强度预报有明显改善。

关键词：条件非线性最优扰动台风强度数值预报目标观测

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风生涡旋对热盐环流年代际变率的影响--基于盒子模型的分析

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海洋科学进展 2008年第4期26卷 411-417页

作者：吴晓刚穆穆中国科学院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北京100049

大洋热盐环流(Thermohaline Circulation,简称THC)是主要源于北大西洋的深海环流,对全球经向水和热平衡具有重要的作用,是影响长期气候变化的一个重要因素。采纳了Longworth等的观点,通过添加扩散项的形式在经典的Stommel盒子模型中引... 详细信息

大洋热盐环流(Thermohaline Circulation,简称THC)是主要源于北大西洋的深海环流,对全球经向水和热平衡具有重要的作用,是影响长期气候变化的一个重要因素。采纳了Longworth等的观点,通过添加扩散项的形式在经典的Stommel盒子模型中引进了风驱洋涡(Wind-Driven Ocean Gyre,简称WDOG),并借鉴Sun等的研究方法,讨论了WDOG对THC年代际变率的影响。通过数值计算发现,WDOG的引入会缩短(延长)处于TH型(SA型)平衡态时的THC在扰动作用下的恢复时间。结合Wu and Mu文章的结论,可知正是由于WDOG对处于不同平衡态下THC的环流强度产生了不同的作用,因而导致了上述现象的出现。

关键词：热盐环流风生涡旋条件非线性最优扰动年代际变率

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黑潮延伸体双模态对温盐的影响及其转变的可预报性研究

黑潮延伸体双模态对温盐的影响及其转变的可预报性研究

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作者：耿雨中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

学位级别：博士

黑潮延伸体(Kuroshio Extension:KE)在年代际尺度上具有典型的双模态特征:稳定模态和不稳定模态。考虑到黑潮延伸体不同模态下海水盐度、温度异常变化对大气环流、海洋水团、鱼类生存等方面的重要影响,本文首先利用观测和再分析资料探... 详细信息

黑潮延伸体(Kuroshio Extension:KE)在年代际尺度上具有典型的双模态特征:稳定模态和不稳定模态。考虑到黑潮延伸体不同模态下海水盐度、温度异常变化对大气环流、海洋水团、鱼类生存等方面的重要影响,本文首先利用观测和再分析资料探究黑潮延伸体双模态(年代际变化)对其周围区域海水盐度、温度异常季节变化的影响。通过分析发现黑潮延伸体年代际变化对黑潮-亲潮交汇(Kuroshio-Oyashio Confluence:KOC)区域混合层盐度、温度异常季节变化均有重要的调制作用:两者在黑潮延伸体两种模态下季节变化趋势类似,在稳定模态下先增后减,在不稳定模态下先减后增。然而,导致两者季节变化的因素存在差异。对混合层盐度异常季节变化起重要作用的是海洋平流过程,其次是大气强迫(淡水通量);对温度异常季节变化贡献显著的是海洋动力过程,包括海洋平流和夹卷过程,大气强迫(热通量)对其起负反馈作用,但效果并不明显。另一方面,由于黑潮延伸体双模态在北太平洋气候系统中的重要作用,本文采用涡分辨率的区域海洋模式(Regional Ocean Modeling System:ROMS)和条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation:CNOP)方法开展黑潮延伸体模态转变的可预报性和目标观测研究。本文利用ROMS模式成功模拟出符合观测的黑潮延伸体模态转变过程,以此为基础建立非线性优化系统,并获得黑潮延伸体从稳定模态转变为不稳定模态过程中的最快增长初始误差(CNOP型初始误差)。结果表明,这种初始误差主要位于黑潮延伸体上游区域上层500米。此外,针对误差的维持和发展,本文从涡度和能量的角度考察了黑潮延伸体模态转变过程中的误差增长机制。研究发现在线性平流的作用下,误差从日本东南部逐渐东移至黑潮延伸体第一个准静止弯曲附近,非线性平流则减缓了误差东移的速度,导致误差在黑潮延伸体第一个准静止弯曲附近长期停留,使其有充分的时间通过正压不稳定过程从背景场吸收能量,最终造成误差快速地增长,使得黑潮延伸体的强度被高估。进一步,本文基于最快增长初始误差的空间结构识别出黑潮延伸体模态转变过程的目标观测敏感区。分别从初始误差的空间位置和空间结构这两个方面开展敏感性试验,验证了预报黑潮延伸体模态转变过程时所识别敏感区的有效性以及敏感区内CNOP型初始误差空间结构的重要性。此后,借助观测系统模拟试验(Observing System Simulation Experiment:OSSE)对目标观测效果进行理论评估,结果表明在敏感区内“实施”目标观测较为合适,能够有效地减小预报不确定性,较大程度地改善黑潮延伸体模态转变的预报效果。

关键词：黑潮延伸体混合层温盐可预报性条件非线性最优扰动目标观测

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基于CNOP方法和DOTSTAR资料的台风目标观测研究

基于CNOP方法和DOTSTAR资料的台风目标观测研究

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作者：陈博宇中国科学院研究生院

学位级别：博士

本论文通过比较条件非线性最优扰动(CNOP)、第一线性奇异向量(FSV)、合成奇异向量(CSV)三种方法,考察CNOP方法在台风目标观测应用的可行性。首先比较研究CNOP、FSV、CSV的空间结构及其发展。接着,运用三种方法确定出敏感区,考察初始误... 详细信息

本论文通过比较条件非线性最优扰动(CNOP)、第一线性奇异向量(FSV)、合成奇异向量(CSV)三种方法,考察CNOP方法在台风目标观测应用的可行性。首先比较研究CNOP、FSV、CSV的空间结构及其发展。接着,运用三种方法确定出敏感区,考察初始误差所在位置及其空间结构对误差发展的影响。然后,研究不同背景环流形势下,CNOP敏感区的分布特征及其与台风周围主要天气系统的联系。最后,利用DOTSTAR下投探空资料,通过观测系统试验(OSE),比较分别同化不同敏感区、随机选择区域内的下投探空资料以及同化所有下投探空资料后对台风路径预报的改善。主要结论如下:\n 1、在优化初始时刻,CNOP、FSV、CSV温度场和风场的大值区一般呈环状结构围绕在台风中心周围,但其所在位置有明显的差异。从三种误差的发展的空间结构看,CNOP的发展的温度场在台风中心两侧表现出冷暖中心对立的结构,其垂直分布有明显的斜压结构,并且在冷暖中心所在区域分别对应着明显的反气旋性和气旋性环流；CSV和FSV的发展的风场环流结构和温度垂直斜压结构均不如CNOP的发展明显。从能量发展的角度,CNOP的发展明显大于CSV和FSV的发展,而CSV在非线性模式下的能量发展可能要大于FSV的发展。\n 2、从统计的角度看,CNOP敏感区内随机误差的发展是最大的,CSV敏感区内随机误差的发展要大于FSV敏感区和随机选择区域内随机误差的发展。这说明CNOP方法相比CSV和FSV方法更适合被用来识别敏感区,而其他增长较快的SV所识别的敏感区也是SV方法确定敏感区的重要参考。\n 另一方面,试验结果显示CNOP、CSV、FSV型初始误差的发展要大于随机误差的发展,其中CNOP型初始误差是所有被考察的初始误差中发展最大的。通过分组试验,发现与CNOP型初始误差相似系数较高的随机误差的发展总体上要大于相似系数较低的随机误差的发展。这说明CNOP型初始误差可反映出有利于误差快速增长的空间结构。\n 3、CNOP敏感区往往位于两个或多个系统的交界处,处于系统相互作用的区域。西太平洋副高是影响台风运动和发展最重要的天气系统,它的发展变化在一定程度上决定了台风走向。当副高脊线附近气流对台风有较强的引导作用时,CNOP敏感区往往位于台风系统与副高系统的交汇处。此外,CNOP方法同样可以揭示出其他天气系统,如中纬度西风槽、台风下游的高压系统,对台风发展的潜在影响。\n 4、OSE试验结果显示,同化所有下投观测资料后,用MM5模式进行路径模拟,其改善平均可达7.1％。从统计角度看,同化所有下投探空资料不仅可以改善24小时路径模拟还可以改善36小时路径模拟,但前者的改善程度要大于后者。此外,同化所有下投探空资料对路径模拟的改善程度总体上要大于仅同化不同敏感区或随机选择区域内的资料对路径模拟的改善。\n 仅同化CNOP敏感区内的下投探空资料对路径模拟的改善程度通常要大于仅同化FSV敏感区资料或随机选择区域内的资料后模拟的改善,甚至在MM5模式对台风36小时路径模拟的结果中,其改善程度要大于同化所有下投探空资料后模拟的改善。比较MM5模式与WRF模式的模拟结果,发现用MM5模式计算出的CNOP所识别的敏感区通常也适用于WRF模式对台风路径模拟的改善。\n 总体上,本研究的结果表明,相比FSV和CSV方法,CNOP方法在台风目标观测敏感区识别的问题上是更为有效的方法。

关键词：条件非线性最优扰动第一奇异向量合成奇异向量台风目标观测台风路径预报

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中国夏季暴雨个例的比较和敏感区之动力学研究

中国夏季暴雨个例的比较和敏感区之动力学研究

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作者：顾荣直中国科学院研究生院

学位级别：博士

本文从资料诊断、动力学分析和数值试验(含敏感区)三个方面讨论了两个紧密联系的问题:一个是在大尺度有利环流条件下,β中尺度的暴雨中心是如何发展起来的;另一个是通过改进初值(包含敏感性和敏感区)来提高模式对暴雨过程的预报水平。\n... 详细信息

本文从资料诊断、动力学分析和数值试验(含敏感区)三个方面讨论了两个紧密联系的问题:一个是在大尺度有利环流条件下,β中尺度的暴雨中心是如何发展起来的;另一个是通过改进初值(包含敏感性和敏感区)来提高模式对暴雨过程的预报水平。\n 个例分析表明,长江流域的暴雨是季节内振荡(MJO)和在稳定的大尺度条件具体通过β中尺度系统所产生的;而环北京地区的暴雨既与有利的MJO条件有关,又与移动的有利的大尺度环境场有关。共同的特征是:一方面MJO通过远距离和局地的动力学作用,在西风波导和副高相互作用下,导致暴雨的形成;另一方面与低空切变、低层水汽输送和500hPa槽有关。动力学分析表明:首先,相对于天气系统的特征时间,β中尺度天气系统的特征时间尺度为快过程。故β中尺度降水的过程有突发的特点。其次,基于激波的数学方法,证明切变线上涡度很大,加上流场的特点,会产生多种涡旋。基于上述分析,与目前流行的理论仅解释与切变线正交方向的观点不同,本文针对切变线平行方向,提出了在切变上产生β中尺度暴雨的动力学机制,即第一步,存在切变流型,同时大气的水汽是饱和或者接近饱和的;第二步,切变产生多个涡度中心;第三步,涡度中心的上升运动产生了降水;然后第四步,降水潜热提供能量加强低层辐合,导致正涡度产生,这样,正涡度与降水相互作用,维持了β中尺度的暴雨。\n 数值试验表明该暴雨过程对初始风场和水汽场相当敏感。就水汽而言,要求初始的水汽达到一定的临界值,否则就不会导致暴雨的发生。就风场而言,初始的切变信息是本质的,如果没有初始的切变,而只改变风场的大小,降水将不发生。故风场的切变是本质的,与动力气象学的基本动力学原则是一致的。\n 利用最新发展的条件非线性最优扰动(CNOP)方法,发现该个例敏感区在北京的南面和西南面,南面的敏感区反映了850hPa低空切变和自南向北的水汽输送,西南面的敏感区对应了500hPa的槽前,并且敏感区的物理意义是十分明显的。敏感区的方法表明:数学中最优化找到的敏感区对应的850hPa低空切变和自南向北的水汽输送是导致暴雨的最敏感物理因子,与经典的结论一致,因此不仅有动力学上的意义,而且表明这种方法可用于具体的数值预报的初值方案的设计,和时间和空间加密观测的设计,故可为数值预报对暴雨预报的提高,提供一种切实可行的方案。

关键词：夏季暴雨 β中尺度预报水平敏感区条件非线性最优扰动

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MJO随机强迫对CNOP型初始误差演变的影响

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气象科学 2014年第4期34卷 421-427页

作者：朱文超王文生徐卫星何健棠张新甲台山市气象局广东台山529200 开平市气象局广东开平529300

用Zebiak-Cane模式和季节内振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)的参数化表述以及条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)方法,分析了以ENSO事件为基态的CNOP型初始误差的空间结构增长规律。结果表明,参数化的MJO对CNOP型初始误差的发展影响较小,其影响主要是使中东太平洋的海表面温度异常增大。CNOP型初始误差比由MJO不确定性产生的模式误差的影响大,前者可能是造成ENSO事件预报不确定性的主要误差来源。由于CNOP型初始误差的局地性,本结论可用来指导ENSO的目标观测和适应性资料同化。

关键词：参数化季节内振荡条件非线性最优扰动初始误差 ENSO事件

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日本南部黑潮大弯曲路径的可预报性和目标观测研究

日本南部黑潮大弯曲路径的可预报性和目标观测研究

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作者：刘霞中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

学位级别：博士

本文基于高分辨率的区域海洋模式(Regional Ocean Modeling System,ROMS)和条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)方法开展了日本南部黑潮大弯曲路径的可预报性和目标观测研究,主要内容和结论如下:首先... 详细信息

本文基于高分辨率的区域海洋模式(Regional Ocean Modeling System,ROMS)和条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)方法开展了日本南部黑潮大弯曲路径的可预报性和目标观测研究,主要内容和结论如下:首先,本文采用单向嵌套的方式对日本南部黑潮路径变异现象进行模拟,结果表明ROMS不仅能够捕捉到日本南部黑潮路径的双模态特征,而且成功再现四国海盆再循环流和黑潮延伸体140°E以东的两个准静止弯曲等。此外,通过对比卫星观测资料发现模拟的黑潮大弯曲形成过程与2004/05的大弯曲形成过程类似,其中包括九州岛东南部的诱导弯曲及其沿日本南岸向下游的传播过程等。综合上述分析得出结论:ROMS模式对黑潮路径变异,尤其是大弯曲路径形成过程有较好的模拟能力。其次,为探究什么扰动最容易触发黑潮从非大弯曲状态(平直路径)转变为大弯曲状态,即黑潮大弯曲路径的最优触发扰动,本文以日本南部黑潮的非大弯曲路径为背景场,选取两个算例Case 1和Case 2,借助基于ROMS模式建立的非线性优化系统,分别计算得到了大弯曲路径的最优触发扰动,其大值主要位于九州岛东南部区域(29°N–32°N,131°E–134°E)的上层2500 m左右,表明该区域扰动对大弯曲的形成至关重要。进一步,通过考察最优触发扰动的非线性发展,并借助于涡度发展方程揭示了非线性物理过程(扰动与扰动之间的相互作用)在大弯曲形成过程中的作用。结果表明线性平流过程(扰动与平均场之间的相互作用)有助于促使弯曲路径中心的气旋涡的向东移动,而非线性过程则有助于促使其向西移动;正是非线性物理过程很大程度上抵消了线性平流过程的作用,从而减小了气旋涡向下游的移动速度,使其能够得到充分发展,最终导致黑潮大弯曲路径。进一步,为探究什么样的初始误差能够在黑潮大弯曲路径的预报中导致最大的预报误差,本文将最优触发扰动引起的大弯曲路径形成过程作为新的背景场(记为Case 1*和Case 2*)计算得到了大弯曲路径预报中的最优初始误差,并考察了该误差的增长机制。对于每个算例,均得到两类最优初始误差,分别记为CNOP1和CNOP2,两者具有几乎相反的空间结构,且它们的大值均位于九州岛的东南部,即大弯曲路径上游区域的上层2500 m左右。通过分析两类CNOP型误差的空间结构和非线性发展过程,发现CNOP1倾向于通过向西南延伸的方式加强大弯曲路径,而CNOP2则倾向于通过向东北收缩的方式削弱大弯曲路径。通过扰动能量分析,发现正压不稳定性和斜压不稳定性均有助于引起能量从背景场转移到误差场,从而导致误差的快速发展。因此在CNOP型最优初始误差的增长过程中,斜压过程和正压过程均具有重要作用。此外,本文还验证了最优初始误差与非线性最优触发扰动在空间分布上具有一定的相似性。最后,基于最优初始误差与非线性最优触发扰动的相似性,针对两个算例识别出了黑潮大弯曲的目标观测敏感区,并通过敏感性试验验证了敏感区的有效性,探讨了初始误差空间位置和结构对黑潮大弯曲预报的影响。进一步,借助于观测系统模拟试验(OSSE)对目标观测的效果进行了理论评估,结果表明:在敏感区内进行目标观测,可以有效减小预报误差,较大程度地改善预报效果。具体地,Case 1*中预报技巧提高了27%左右,Case 2*中提高了近20%。本研究结果进一步加深了人们对黑潮大弯曲路径形成机制的认识,并为实际中黑潮大弯曲路径的预报和观测工作提供了有效的理论指导。

关键词：黑潮大弯曲可预报性目标观测条件非线性最优扰动非线性过程

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北大西洋经圈翻转环流的多年代际变化研究

北大西洋经圈翻转环流的多年代际变化研究

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作者：祖子清中国科学院研究生院

学位级别：博士

本文基于一个三维海洋模式THCM(Thermohaline Circulation Model)，使用条件非线性最优扰动(CNOP)方法，计算了非线性模式中能够导致10年之后北大西洋经圈翻转环流(AMOC)强度呈现最强变化的初始温度和盐度扰动，并分析了扰动发展的机制... 详细信息

本文基于一个三维海洋模式THCM(Thermohaline Circulation Model)，使用条件非线性最优扰动(CNOP)方法，计算了非线性模式中能够导致10年之后北大西洋经圈翻转环流(AMOC)强度呈现最强变化的初始温度和盐度扰动，并分析了扰动发展的机制。本文的主要内容和结论如下:\n 首先基于一种理想的模式设置，在温盐方程的上边界均取通量边界条件时，计算了CNOP型最优初始海表盐度(SSS)和SST扰动，这两类扰动均对应较强的经向梯度和较弱的纬向梯度，主要信号位于海盆的西北侧。两种扰动的非线性发展可以导致AMOC在约10年之后出现较强变化，最强可使AMOC减弱3.6Sv（占基态的22.7％），然后导致一个周期为52年的多年代际振荡。AMOC对扰动的响应涉及扰动的非正规（non-normal）和非线性增长机制。非正规机制主要是指(6)ρ’/(6)y、(6)ρ’/(6)x、MOC’与ZOC’四者之间的相互作用;非线性增长机制涉及对流的非线性过程、v\'(6)ρ’/(6)y、u\'(6)ρ’/(6)x的作用。另外，文中对比了CNOP型和线性奇异向量(LSV)型最优初始SSS扰动的结构及其非线性发展的特征，发现两种扰动的结构存在明显的差别，同时CNOP型扰动使10年之后的AMOC强度更弱，进而导致更强的多年代际振荡。\n 在混合边界条件下，分别计算了CNOP型和局地CNOP型最优初始SSS扰动。相比于局地CNOP型扰动，CNOP型扰动可以在10年之后导致更强的变化，说明AMOC对CNOP型扰动相对敏感。通过分析AMOC对扰动响应的时间尺度（恢复时间）发现，随着扰动约束半径的增大，局地CNOP型扰动的恢复时间存在饱和现象。这种现象可以用非线性平流反馈机制予以解释。\n 本文也计算了最优初始全场温度和盐度扰动，其主要信号均位于海盆的西北侧中层(-1500m至-3000m)。全场温盐扰动也可以导致较强的多年代际变化，因此在进行AMOC年代际尺度的预报时，初始条件中海表以下的温盐变化是不能被忽略的。\n 其次，分析了几种因素对AMOC平衡态、最优初始SSS扰动的结构、AMOC多年代际振荡模态的周期、衰减率和振幅的影响，发现a）加入风应力、使用非线性的状态方程、采用较为合理的地形描述均会使AMOC显著增强;b）减小水平摩擦系数会使最优初始SSS扰动呈现东西偶极子的结构，关闭对流调整会使最优扰动的结构比较复杂，而只加入海陆边界会使最优扰动的主要信号集中在海盆的东北侧，除此之外，其他的因素不会影响最优初始SSS扰动的结构;c）缩小水平摩擦系数使周期延长至62年，使用非线性状态方程、使用海陆边界会使周期缩短;d）使用非线性的状态方程和海陆边界会使扰动的衰减速率加快;e）减小水平摩擦系数、关闭对流过程可以使多年代际振荡的振幅明显增大，而考虑海陆边界和海底地形、减小水平扩散系数、使用非线性的状态方程则会显著的减弱AMOC振荡的振幅。\n 最后，在综合考虑了以上各因素之后，基于一个相对复杂的模式设置，计算了CNOP型最优初始SSS(SST)扰动和全场盐度（温度）扰动，并分析了它们的非线性发展导致的AMOC多年代际变化。CNOP型最优初始SSS(SST)扰动的主要信号均集中在海盆西北侧，格陵兰岛西南经拉布拉多海至北美洲的东海岸;而最优初始全场盐度（温度）扰动的结构依然是位于海盆西北侧海表以下，约-1000m至-3000m之间。最优初始SSS(SST)扰动可使AMOC在约10年之后衰减2.5Sv(1.5Sv)，而最优初始全场盐度（温度）扰动可导致AMOC衰减4Sv(1.5Sv)。AMOC对扰动的响应依然可以归因于扰动的非正规（non-normal）和非线性增长，但此时扰动的非线性增长主要来自于对流的非线性过程和w\'(6)ρ’/(6)z的贡献。另外，通过对比CNOP型和LSV型的最优初始温盐扰动可以发现，二者结构虽然类似，但是存在显著区别。在非线性模式中，CNOP型扰动总会导致更强的多年代际振荡，这说明在此类研究中，CNOP方法是一种更加有效的工具。

关键词：北大西洋经圈翻转环流条件非线性最优扰动奇异向量多年代际变化最优前期征兆非线性过程

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黑潮路径变异的可预报性研究

黑潮路径变异的可预报性研究

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作者：王强中国科学院研究生院

学位级别：博士

本文利用1.5-层浅水方程模式和条件非线性最优扰动(CNOP)方法,研究了黑潮路径变异的可预报性问题。主要内容和结论如下:\n 首先,利用1.5-层浅水方程模式,对黑潮路径变异进行了成功的模拟。在此基础上,建立了研究黑潮路径变异可预报... 详细信息

本文利用1.5-层浅水方程模式和条件非线性最优扰动(CNOP)方法,研究了黑潮路径变异的可预报性问题。主要内容和结论如下:\n 首先,利用1.5-层浅水方程模式,对黑潮路径变异进行了成功的模拟。在此基础上,建立了研究黑潮路径变异可预报性的非线性优化系统,并利用该系统计算了条件非线性最优初始扰动(CNOP-I)和第一奇异向量(FSV),比较了它们之间的差别:当优化时间间隔较长,扰动约束较大时,CNOP-I和FSV的空间结构差别明显,同时CNOP-I的非线性发展要大于FSV的非线性发展,显示了CNOP-I可以考虑非线性过程对误差发展的影响,同时也反映了不能考虑非线性作用的FSV方法的局限性；另外,通过比较CNOP-I和FSV在不同路径变异阶段随时间的发展,揭示了非线性过程对初始误差的发展起重要作用,具体的,在涡环脱落阶段,初始误差的线性发展低估了预报不确定性,而在涡与黑潮主流融合阶段,初始误差的线性发展严重高估了预报不确定性,这反映了非线性的作用不能被忽略,因此在研究黑潮路径变异的可预报性时,CNOP-I方法要优于FSV方法。\n 论文进一步考察了CNOP-I相对于黑潮流轴形变的空间分布及其发展特征,发现CNOP-I的大值区基本位于黑潮流轴形变较大区域,并且黑潮流轴在形变较大的时段,CNOP-I发展较快。CNOP-I之所以具有这些空间结构和发展特征,主要是由正压能转换项决定的,即背景流场动能转换为扰动场动能。因此,CNOP-I能得到快速发展主要取决于背景场水平流速切变和扰动本身的结构。同时,考察了不同优化时间间隔对CNOP-I的影响,发现CNOP-I对优化时间间隔有一定的敏感性:在优化时间间隔为50天时,CNOP-I存在显著的变化,当小于或大于50天,CNOP-I之间的差别均很小。\n 其次,利用CNOP-I和FSV方法考察了黑潮大弯曲路径发生的最优前期征兆问题,发现CNOP-I比FSV更容易导致黑潮大弯曲路径的形成。另外,CNOP-I的大值区主要位于日本九州岛东南部,说明该区域的扰动对黑潮大弯曲形成至关重要。另一方面,考察了最优前期征兆与发展最快初始误差(CNOP-I或局部CNOP-I)之间的关系,结果表明两者空间结构十分相似,即发展最快初始误差的大值区也位于日本九州岛东南部。这一相似性启发我们,如果在此区域增加观测,将不仅能够发现黑潮大弯曲路径发生的前期征兆,还能减小初始误差,从而有利于提高黑潮大弯曲路径发生和发展的预报技巧。\n 最后,利用CNOP-P方法,考察了模式参数误差对黑潮路径变异预报的影响,并将其与最优初始误差(CNOP-I)对预报的影响作比较。结果发现,与CNOP-P相比,CNOP-I导致了更大的预报误差,说明初始误差对黑潮路径变异预报有更加重要的影响。另一方面,尽管CNOP-I导致了更大的预报不确定性,但同时优化三个模式参数扰动所得的CNOP-P也导致了较大的预报误差,这反映了模式参数误差对预报的影响不能完全忽略。因此,为了提高黑潮路径变异的预报技巧,首先应该改进初始条件,并在此基础上,对模式参数值应尽可能地给出较精确的估计。

关键词：黑潮路径变异条件非线性最优扰动奇异向量可预报性最优前期征兆模式参数误差

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风应力对热盐环流（THC）非线性稳定性与平衡态转移的影响

风应力对热盐环流（THC）非线性稳定性与平衡态转移的影响

引用

作者：吴晓刚中国科学院研究生院（大气物理研究所）

学位级别：硕士

大洋热盐环流(Thermohaline Circulation,简称THC)是主要源于北大西洋的深海环流,对全球经向水和热平衡具有重要的作用,是影响长期气候变化的一个重要因素。很多研究表明THC的稳定性和多平衡态问题与全球气候的突变有着密切的联系,当前... 详细信息

大洋热盐环流(Thermohaline Circulation,简称THC)是主要源于北大西洋的深海环流,对全球经向水和热平衡具有重要的作用,是影响长期气候变化的一个重要因素。很多研究表明THC的稳定性和多平衡态问题与全球气候的突变有着密切的联系,当前,全球气候研究领域最为重要的两个国际计划“过去全球变化(PAGES)”和“气候变率与可预报性研究(CLIVAR)”,都强调要开展全球THC研究。关于THC的文章很多,都是从不同角度考虑了各种因素的作用,本文是从Stommel盒子模型出发,结合Longworth等人的观点,通过添加扩散项的形式引入了风应力,从而考虑了风应力对THC的影响。关于风应力的作用,大量的GCM模式和一些盒子模型都做了研究,但前人的工作主要是用数值积分的方法考虑非线性问题,没有完整的理论推导。本文利用Mu等提出的条件非线性最优扰动(CNOP)方法从非线性的角度研究了风应力的作用,并从理论上论证了得到的结论。工作主要从四个方面展开:第一、THC的多平衡态;第二、THC最优初始扰动的发展情况;第三、THC最优初始扰动的扰动临界值;第四、THC的年代际变率。研究发现风应力会增加正向THC的流量――对TH型平衡态它增强了环流强度,对SA型平衡态它削弱了环流强度。根据THC环流越强则越稳定的规律,风应力的上述作用会增强处于TH型平衡态的THC的稳定性,而减弱处于SA型平衡态的THC的稳定性。本文从理论上证明了风应力确实存在这种作用,并发现THC存在这样一种机制:风应力会使温度差的减小弱于盐度差的减小,而这种机制对处于不同平衡态的THC会产生不同的作用。

关键词：热盐环流风应力条件非线性最优扰动多平衡态非线性稳定性年代际变率

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