大偏差理论在地球物理流体动力学与气候科学中的应用

气候系统是一个复杂的混沌系统，具有许多自由度以及在极其广泛的时间和空间尺度上的变率。深入理解其动力学过程是一项极为紧迫的科学挑战，尤其是在当前气候变化与气候危机不断演变的背景下。在统计物理中，复杂多粒子系统已借助大偏差理论（Large Deviation Theory, LDT）的数学框架得到了成功研究。将LDT应用于地球物理流体动力学与气候科学中的相关问题具有巨大潜力。特别是，LDT有助于理解气候场相对长期平均值的持续性偏差的基本特性，并将其与低频、大尺度的气候变率型态相联系。此外，LDT可与所谓的稀有事件算法结合使用，以探索相空间中极少被访问的区域，从而研究气候的特殊动力学构型。这些应用对于增进我们对高影响天气与气候事件的理解至关重要。进而，LDT为评估气候系统或其组分在相互竞争的亚稳态之间由噪声诱导的跃迁概率提供了有力工具。这反过来对于增进我们对气候系统全局稳定性特性以及Lorenz意义下第二类可预报性的理解不可或缺。本综述的目标是多重的。首先，我们旨在介绍随机过程背景下大偏差定律的推导。随后，我们将这些结果与现有文献相关联，展示LDT在气候科学与地球物理流体动力学中应用的现状。最后，我们提出若干未来研究的可能方向。