数值天气预报模型中确定性混沌的动力学

大气天气系统是相干结构，由离散的云细胞组成，形成行/街、中尺度簇和螺旋带等模式，这些结构在行星大气边界层的湍流剪切流中，在其可观的寿命期间保持其特性。在过去的20年湍流研究中，湍流中相干结构（看似系统的运动）的存在已被充分证实。基于固有非线性的纳维-斯托克斯方程的数值天气预报模型不能给出真实的预报，原因在于以下固有局限性：（1）大气流动的非线性控制方程没有精确的解析解，并且对初始条件敏感，给出确定性混沌特征的混沌解；（2）控制方程没有纳入构成大型相干天气系统组成部分的完整湍流波动谱的动力学相互作用和共存；（3）可用计算机容量的限制导致控制方程的严重截断，从而产生近似误差；（4）与计算机精度相关的舍入误差使前面提到的不确定性随时间呈指数放大，模型预测变得不切实际。因此，天气现象的精确建模需要替代概念和计算技术。本文提出了一种适用于大气边界层中相干天气结构形成的确定性混沌的普适理论。