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可预报性理论

不确定性动力学

利用上述定理可以很方便地了解海洋大气的内在不确定性产生源。例如下图是美国东部外海2006年复杂环流中不确定性的变化率(Liang et al., 2012)。左边所示小框为模式海区,右图为不确定性增长率,正值对应的就是不确定性产生源。为方便起见,右图经过放大并顺时针旋转60°。


定理1 (Liang & Kleeman 2005; 2007b):对于动力系统 du/dt = F(u,t),其中,它的联合熵H的时间增长率就是向量场 F的散度的数学期望:

注:如果 u 是位置向量,则 F 就是速度;如果 u 是离散的海洋/大气状态变量,则 F 就是数值模式所表达的向量场。

定理2 (Liang 2011):对于上述动力系统,它的第k个分量的边际熵的静态时间增长率(或叫当地时间增长率:即不考虑分量之间因event synchronization 而导致的熵变化)为:

注:这个量表征的是系统的内在不确定性的增长,所以是系统不确定性产生的度量,我们称之为Local entropy generation,简称LEG。


相关文章下载:

Liang and Kleeman, 2005: Information Transfer between Dynamical System Components. Phy.Rev.Lett. 95, 244101.

X. San Liang, 2011: Uncertainty generation in deterministic flows Theory and application with an atmospheric jet stream model. Dyn. Atmos. Oceans. 52, 51–79

X. San Liang, 2014: Entropy evolution and uncertainty estimation with dynamical systems. Entropy, 16, 3605-3634.