低维大气动力学模型的激进投影

对地球大气未来状态的预测受到混沌后果的影响：初始状态的不确定性被非线性放大，导致数值天气预报模型迅速偏离观测。衡量预报效用的一个指标是其投影时间 (shadowing time)，非正式地定义为预报能合理描述现实的时段。本工作利用 Lorenz 096 耦合系统——一个简化的大气动力学非线性模型——来扩展一项最近发展的用于延长动力系统投影时间的技术。集合预报被用于进行有膨胀和无膨胀的预报，膨胀是一种将集合沿不确定性正在收缩的维度定期人为扩展的方法。本工作的首要目标是将有膨胀和无膨胀的模型预报与通过积分同一模型的修改版本所创建的真实轨迹进行比较。第二个目标是确定膨胀是否能增加集合中单个最优成员的最大投影时间。在第二个实验中，真实轨迹是先验已知的，且每个时间步只保留最接近的集合成员，这种技术称为追踪 (stalking)。最后，将一种定向膨胀引入这两种技术，以减少膨胀发生在可能与真实轨迹不相称的方向上的实例数量。膨胀的结果各异，成功与否取决于实验设计参数（例如状态空间大小、膨胀量）。然而，更定向的膨胀成功减少了预报退化的次数，而未显著减少预报改进的次数。若运用得当，膨胀有潜力改善对大气现象以及其他物理系统未来状态的预测。