1997年 享芘院刊 第5期 关学科发展兴 大气科学中非线性与复杂性研究的进展 丑纪范 (北京气象学院北京100081) 摘要文章从众多自由度系统的特定时空尺度大气现象与观测事实密切结合的角 度,对大气科学中非线性与复杂性研究的进展进行了评述,依次讨论了从确定论走向 不确定、混沌中的有序和全球变化等,并就该领域存在的问题和发展前景进行了探 讨 关键词大气科学,非线性,复杂性,混沌 1引言 非线性与复杂性的数学理论多半是低维动力系统,而大气则具有无穷多的自由度。大气科 学中非线性与复杂性研究进展的一个重要标志是这些理论和概念运用于众多自由度的程度。 大气运动变化的复杂性在于其具有各种时空尺度,实际观测资料乃是各种时空尺度变化 加上噪音的结果。各种时空尺度又不是相互独立无关的,而是存在复杂非线性相互作用,这就 提出了一个问题,我们能不能从中抽出一种尺度单独来研究? 对观测到的大气现象作出解释并提出预测方法是理论研究的中心任务,这又提出了一个 问题能不能用理论植根于观测事实的程度和解释观测事实的程度来考虑大气科学中非线性 与复杂性研究的进展和问题? 大气科学中非线性与复杂性研究的工作很多,范围很广,下面仅从众多自由度系统的特定 时空尺度大气现象与观测事实密切结合的角度进行评述。 2从确定论出发走向不确定 大气科学的理论是把天气尺度单独抽出来研究而获得突破的,数值天气预报的成功是重 要标志。数值天气预报本来是建立在确定论基础上的。大气科学中非线性与复杂性研究的 个重要成果是揭示了天气尺度的可预测时段不超过2-3周。众所周知, Lorenz(1963)在研究 国科学院院 收稿日期:1997年3月28日 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved.© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved