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气候系统的随机动力学暇想—由《生物系统的随机动力学》想到的

已有 4896 次阅读 2013-9-25 20:49 |个人分类:大气科学|系统分类:科研笔记| 动力学, 随机性

   说明:对于专业气候研究者,可能这个话题并不新鲜。这只是我作为局外人的一个阅读手记。

    随机性与动力学分别作为不确定性与确定性的代表握手言和、联袂出场,这是一个有趣的组合。据称,随机动力学在1969年Epstein. E. S在Tellus上发表的“Stochastic dynamic prediction”中已经初具雏形。《非线性随机动力学与控制》一书称:“上世纪初Einstein等人对布朗运动的研究标志着随机动力学研究的开端。对非线性随机动力学的研究则始于上世纪60年代初。”

  作为非线性动力学丛书的一本,《生物系统的随机动力学》已于2009年出版。据网页内容介绍:“本书从动力学的角度简要地阐述近年来发展迅速的系统生物学,聚焦于生物网络的随机动力学,包括它们的设计和构造、数学建模、数值模拟和理论分析。我们以若干典型生物模块为基础,以阐明和理解细胞内部过程为目的,以描述生化分子运动的主方程为工具,从单细胞到多细胞,从确定性方程到随机方程,系统而全面地介绍了生物系统在分子水平上的随机动力学。”

  作为气候学关注者,我不由得联想到《气候系统的随机动力学》。网搜之下,似乎尚无中文著作出现。

  气候动力学与气候系统的随机动力学的差异何在?温景嵩在科学网的博文《气候变化的周期性,不确定性以及给联合国的一项建议》(http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=4185&do=blog&id=444889)中称:“气候动力学研究的根本任务——解释气候冷暖交替周期性变化的成因并预测其演变。我想,统计气候学乃至气候系统的随机动力学在这方面可能大有用武之地。

  周秀骥院士在《中国科学》2011年第56卷第25期《中国地区千年气候变化特征与规律》中指出:“全球气候变化研究已成为当代科学的前沿。对近百年来现代气候变暖问题的讨论与争议引起了世界的关注, 其争议的焦点是人类活动温室效应是否是现代气候变暖的主要因子, 以及未来气候是否持续变暖。这个争议在科学上涉及复杂气候系统的随机动力学问题, 其发展才刚刚起步, 方兴未艾。事实上, 地球大气与海洋、陆面、冰雪和生态有着密切的非线性相互作用, 共同组成了复杂的非线性气候系统。在不断变化着的太阳和天体运动作用的驱动下, 地球气候系统从形成到现在非各态历经不断变化, 是一个复杂的非平稳过程. 我们对这样一个在时变外驱动力强迫作用下的气候系统过程的特征、规律和机制的认知还十分浅薄。因此, 尽管建立在物理模式基础上的短期天气数值预报已十分成熟, 并有效服务于社会, 但同样建立在物理模式基础上的气候数值预测的信度还不高, 与经验统计气候预测结果相比, 也没有太多的优势。因此, 加强气候变化的基础研究, 深化对气候变化规律与机制的认知, 是当前发展气候科学和提高气候预测水平最根本的任务。


附1:Stochastic dynamic prediction(EPSTEIN,1969).pdf


附2:1971年发表于《每月天气评论》

On stochastic dynamic prediction(REX J. FLEMING,1971).pdf


附3:技术报告介绍



附4:气候系统的随机动力学已有相关文献一瞥:

1.大气随机动力学与可预报性

 《气象学报》 2005年05期

       周秀骥  

【摘要】:偶然性与必然性过程及其相互转化是世界事物变化复杂性的根源。根据布朗运动统计理论,提出了分子热运动是不稳定流体中湍流形成之源,由此形成不同宏观尺度的随机运动是大气运动固有的属性。观测事实表明,太阳辐射作为决定大气运动与变化的主要因子,它的变化具有随机性,是大气的随机强迫因子,它对气候变化具有决定性影响。地-气相互作用是一个时变的非线性相互反馈的耦合过程,形成了下边界对大气复杂的随机强迫作用,其界面交换耦合随机动力学模式尚待建立。由于大气过程固有的随机性以及随机的外强迫耦合作用,大气确定性预报的时效是有界的,它决定于预报对象的不确定性及其空间尺度与时间尺度,以及预报时效内的大气不确定性。由此,客观存在着大气过程的报不准关系。


2.第四纪气候演化在地球轨道力作用下的随机动力学模型

《北京师范大学学报(自然科学版)》 1993年03期

                文胜  卢志恒  

【摘要】本文在随机共振理论的最新发展水平基础上,综合了Milankovitch和Broeckerp等人在气候学上的贡献,全面地重新研究了Benzi和Nicolis提出的用随机共振的概念解决古气候演化的建议.我们首先在胡岗和McNamara等人发展的随机共振绝热近似理论的基础上,研究了多个周期力驱动下的非线性随机振动的可加性问题.提出了用系综平均值来描写全球气候演化问题;根据最新卫星观测数据,求得了全球年平均反照率函数为……


3.大气科学研究的一个前沿领域——气候系统动力学与气候预测
《地球科学进展》1996年 第3期

   黄荣辉 徐飞亚  

【摘要】从气候环境的变化及其对工农业和人类生活的影响论述了气候系统动力学和气候预测研究在地球科学中的地位和作用,指出气候动力学与气候变化预测是当今大气科学的一个重要前沿研究领域;并从气候系统及其各子系统的相互作用论述了气候系统动力与气候预测的研究对象和主要研究内容;此外,还从当今气候和环境科学发展的趋势和特点指出气候动力学研究应采取的研究路径与方法。


4.几类流体力学方程的随机动力学和大偏差

应用数学专业博士论文,2010

     高洪俊

【摘要】

   随机偏微分方程作为描述受随机影响的复杂系统的数学模型越来越引起数学工作者的注意,并且在力学、化学、生物学、地球物理学、大气海洋气候学等中得到了广泛的应用.本论文研究几类流体力学方程形成的随机动力系统的渐进行为,同时还研究由大偏差描述的随机动力系统的小概率事件。全文的安排如下:

  第一章简单回顾了随机动力系统的一些基本知识和理论,主要包括确定动力系统,随机动力系统,全局随机吸引子,有限Hausdorff维数和大偏差的定义.进一步,给出了全局随机吸引子存在性定理1.2.1和定理1.2.2,同时也给出随机吸引子的Hausdorff维数是有界不变随机变量的一个判定定理.最后,我们列出该论文的安排,主要问题和结果。……


附5:非线性随机动力学与控制

科学出版社,2003年

     朱位秋

                                                    序

   随机动力学之源始,可追溯至二十世纪初物理学者对布朗运动之研究,至今已有百年之历史。其后因各种工程应用之需要,范围逐渐扩大,包括通讯、航天、航海、土木、机械等领域。近年来精益求精,注意力尤集中于难度较深之非线性系统、系统稳定性、及系统控制之发展。朱位秋教授以深厚之数学根底,对此三方面均有显著贡献,在随机动力学领域内,成为国际著名专家之一。其新著“非线性随机动力学与控制”一书,集十余年对此三方面研究之精华于一册,实属学术上重要贡献。书中理论上发展,以统一之哈密尔顿框架为基础,乃朱位秋教授之首创,尤属独特可贵。此书之广受欢迎,可预为朱教授贺。

                                   Y. K. Lin 于美国佛罗里达大西洋大学应用随机研究中心

 



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