非线性动力学与混沌：在天气与气候预测中的应用

湍流，即空间与时间上的不规则涨落，是流体流动特别是大气流动的一般特征。各种尺度上不规则的、即非线性的时空涨落导致了短期天气与长期气候的不可预测性。量化涨落的整体模式对于可预测性研究十分重要。时间涨落功率谱为宽带的，并对于不同尺度范围呈现出具有不同斜率的反幂律形式。功率谱的反幂律形式意味着在斜率恒定的尺度范围内存在标度（自相似性）。因此大气流动表现出多重标度或多重分形结构。标准气象理论不能令人满意地解释所观测到的大气流动多重分形结构。自相似空间模式意味着长程空间关联。因此大气流动表现出长程时空关联，即自组织临界性，标志着表观混沌下的有序。最近发展的大气流动非确定性元胞动力学系统模型预测所观测到的自组织临界性是支配流动动力学的类量子力学的固有性质。模型预测与气象数据集的连续周期图谱分析一致。