气候动力学与流体力学：自然变率及相关不确定性

这篇综述兼研究论文的目的有二：(i) 评述流体动力学模型在气候动力学中所起的作用；(ii) 为理解和减少未来气候变化预估中的不确定性做出贡献。为说明第一点，我们聚焦于对地球气候及其变化起关键作用的中纬度海洋的大尺度风生环流。我们通过分岔序列研究中纬度海盆中风生双环流的低频变率，该序列从稳态出发，经过周期解，最终达到观测中记录到的混沌、不规则流。该序列涉及局部分岔（叉形分岔和霍普夫分岔）以及全局分岔（同宿分岔）。由海洋环流低频变率引起的自然气候变率只是气候预估不确定性的原因之一。此类不确定性的另一个主要原因可能在于控制气候动力学（包括但不限于大气和海洋动力学）的方程在拓扑意义上的结构不稳定性。我们提出了一种基于随机动力系统理论概念和方法的新方法，以理解并可能减少这些不确定性。作为第一步，我们研究了噪声对阿诺德圆映射族拓扑类的影响，该映射族是厄尔尼诺-南方涛动与季节循环非线性相互作用中出现的频率锁定的典型模型。结果表明，噪声平滑了映射的精细共振景观，从而允许对其进行粗粒化分类。这一结果与通过某些环流模式对厄尔尼诺-南方涛动现象进行建模时获得的随机参数化的稳定效应一致。