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一个创新研究——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用

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地球物理学报 2012年第5期55卷 1433-1438页

作者：丑纪范中国气象局气象干部培训学院北京100081

大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及... 详细信息

大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及同期数值模式中的行星尺度和天气尺度大气扰动系统之间呈现出密切的关系.瞬变扰动天气图可成为预报极端天气事件的新工具.本文在归纳本期9篇原创性文章的基础上,探讨大气变量物理分解后需要进一步研究的理论问题和应用前景.

关键词：物理分解数值模式极端天气事件天气尺度扰动创新研究

缓变地形下Rossby波振幅演变满足的带有强迫项的KdV方程

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物理学报 2008年第4期57卷 2595-2599页

作者：达朝究丑纪范兰州大学大气科学学院

运用非线性方法与摄动法,讨论了当地形随时间缓变时Rossby波振幅的演变问题.从均值流体准地转涡度方程推导,得到Rossby波振幅演变满足带有强迫项的KdV方程的结论,而地形随时间的缓慢变化诱导了该方程的强迫项.

关键词：非线性Rossby波带有强迫项的KdV方程摄动法缓变地形

数值天气预报的创新之路——从初值问题到反问题

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气象学报 2007年第5期65卷 673-682页

作者：丑纪范兰州大学大气科学学院兰州730000

基于大气并非是一个确定论的系统,从信息论的视角考察了数值天气预报问题。认为表征初值和边值的数据可以视为输入信息(信息源),而数值模式则不过是一个信息变换机构,它把输入信息变换成预报结论而输出来,输出的预报结论则是未来天气状... 详细信息

基于大气并非是一个确定论的系统,从信息论的视角考察了数值天气预报问题。认为表征初值和边值的数据可以视为输入信息(信息源),而数值模式则不过是一个信息变换机构,它把输入信息变换成预报结论而输出来,输出的预报结论则是未来天气状况的信息。于是预报的准确性受制于:一是输入信息所包含的输出信息的信息量,另一是信息在变换过程中丢失的信息量。从初值的形成过程揭示出了当前观测系统在一个时刻提供的数据没有包含初值所要求的全部信息,而缺失的部分或多或少的隐藏在过去的观测数据中。提为初值问题意味着只依据一个时刻的状态导致输入的信息量缺失,应考虑过去的历史数据以增加输入数据中所包含的预报量的信息。文中指出由于输出信息比输入还多的数值模式是不存在的,这样的改进带有根本性。进一步论证了数值模式的误差信息,也或多或少的隐藏在过去的历史数据中,为了充分使用过去的观测数据,本文建议改变问题的提法,不提成初值问题,提成反问题。资料同化本质上是反问题,其欠定性不应人为夸大。提成反问题的数值天气预报能充分应用过去的历史资料,将天气方法、统计方法、动力方法有机地结合在一起。对于这个反问题如何具体求解方面,在分析了业务和研究的区别,模式的普适性和针对性的统一的基础上,给出了反问题的具体解决途径。强调无需构建新模式(这是非常困难的工作),只需运行现成的模式,借助所关心的预报对象的历史数据来改造现成模式,因而是完全可行的。

关键词：数值天气预报反问题信息论

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短期气候数值预测的进展和前景

科学通报 2001年第11期46卷 890-895页

作者：丑纪范徐明兰州大学大气科学系兰州730000 中国气象局培训中心北京100081

评述了目前短期气候数值预测方面存在的缺陷，提出需要解决的４个挑战性的问题．认为在短期气候数值预测领域应结合我国学者已有的科研成果和经验，在计算条件相对落后的情况下，走一条具有我国特色的创新之路，而这可能是解决短期气候... 详细信息

评述了目前短期气候数值预测方面存在的缺陷，提出需要解决的４个挑战性的问题．认为在短期气候数值预测领域应结合我国学者已有的科研成果和经验，在计算条件相对落后的情况下，走一条具有我国特色的创新之路，而这可能是解决短期气候数值预测目前所存在的缺陷的一条行之有效的途径．

关键词：短期气候数值预测缺陷创新气候预测大气科学气候数值模拟

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基于无导数优化方法的数值模式误差估计

物理学报 2014年第14期63卷 435-445页

作者：黄启灿胡淑娟邱春雨李宽于海鹏丑纪范兰州大学大气科学学院兰州730000 兰州大学数学与统计学院兰州730000

初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素,本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题.通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项,把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解,构造了求解时... 详细信息

初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素,本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题.通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项,把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解,构造了求解时空演变的模式误差项的反问题及其最优控制问题.给出了一个解决最优控制问题的无导数优化方法,该方法的优点是不需要建立原数值模式的切线性模式与伴随模式,它只需在增加一个外强迫项的基础上运行原数值模式即可实现模式误差项的最优估计.关于Burgers方程的算例表明,无论模式的初始状态是否准确已知,无导数优化方法都能有效解决时空演变的模式误差的最优估计问题,它为实际业务模式利用历史数据提取模式误差信息并显著地改进预报效果提供了一种方便可行的数值方法与理论依据.

关键词：模式误差历史资料反问题无导数优化

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长期数值天气预报

长期数值天气预报

数值模式延伸期可预报分量提取及预报技术研究

1986年

作者：丑纪范

来源：南通市图书馆图书评论

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中国科学：地球科学 2014年第2期44卷 343-354页

作者：王启光丑纪范封国林兰州大学大气科学学院兰州730000 中国气象局气象干部培训学院北京100081 中国气象局国家气候中心北京100081

针对延伸期尺度的可预报分量,借鉴了CNOP相关算法,形成了在数值模式中提取可预报分量的实用方法和预报技术.从模式预报误差增长的角度将模式变量分为可预报分量和不可预报的混沌分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量... 详细信息

针对延伸期尺度的可预报分量,借鉴了CNOP相关算法,形成了在数值模式中提取可预报分量的实用方法和预报技术.从模式预报误差增长的角度将模式变量分为可预报分量和不可预报的混沌分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量.基于现有的国家气候中心月动力延伸预报业务模式,建立了针对可预报分量的数值模式.同时结合历史资料有用信息,对数值模式的可预报分量,在历史资料的可预报分量中寻找相似场,降低了相似判断过程中变量的维数,进一步对可预报分量的预报误差进行订正.对混沌分量利用历史资料,通过集合预报方法得出其期望值和方差.数值试验结果表明,该方法能有效提高10～30天延伸期数值模式大气环流场的预报技巧,具有良好的业务应用前景.

关键词：延伸期预报可预报分量混沌分量相似误差订正免伴随快速算法

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非线性动力学

非线性动力学

1994年

作者：丑纪范

来源：汇雅图书（南通市图书馆... 评论

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经验正交函数在气候数值模拟中的应用

中国科学（B辑） 1991年第4期 442-448页

作者：张邦林丑纪范兰州大学大气科学系兰州730000

本文给出了一个缩减大气环流模式自由度的新方法,理论基础是强迫耗散非线性系统的高维相空间将演化到一个低维的吸引子上.具体方法是对模式的一个现实作经验正交函数(EOF)分解,从而找出支撑吸引子的少数自由度,并以此为基底获得简化模型... 详细信息

本文给出了一个缩减大气环流模式自由度的新方法,理论基础是强迫耗散非线性系统的高维相空间将演化到一个低维的吸引子上.具体方法是对模式的一个现实作经验正交函数(EOF)分解,从而找出支撑吸引子的少数自由度,并以此为基底获得简化模型.用一个理论模型进行了数值模拟试验,试验证实了此方法的可行性和有效性.

关键词：经验正交函数气候模拟